IGBT驅(qū)動電路的相關(guān)分析與研究

藺志鵬

（河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北 秦皇島 066600）

0 引言

IGBT和控制電路需要通過驅(qū)動電路接口連接，驅(qū)動電路對IGBT系統(tǒng)正常運(yùn)行有著很大影響，所以必須要做好驅(qū)動電路的選擇與設(shè)計(jì)工作。

1 IGBT的驅(qū)動電路的形式

IGBT及其驅(qū)動電路的一般形式，如圖1所示，一般采用對管推挽式開關(guān)放大輸出，供電電源多采用雙電源供電，正電源為+15V，負(fù)電源為-10V，也有少數(shù)電路省去負(fù)電源，采用單電源供電的。

2 IGBT驅(qū)動電路的核心參數(shù)

IGBT驅(qū)動電路的性能優(yōu)劣會影響到IGBT的工作性能，進(jìn)而影響變流設(shè)備整體性能，所以保證IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)的科學(xué)性，可以確保變流設(shè)備各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 IGBT驅(qū)動電路功率

驅(qū)動電路功率作為IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)的核心，可以分為平均功率、瞬時峰值功率。平穩(wěn)驅(qū)動IGBT必須要保證驅(qū)動電路功率的合理性，確保IGBT開關(guān)動作更加可靠。結(jié)合IGBT規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)確定驅(qū)動電路功率。

優(yōu)化驅(qū)動電路的功率可以通過負(fù)關(guān)斷電壓控制。如果負(fù)關(guān)斷電壓較低，會造成大功率驅(qū)動情況。根據(jù)IGBT的功率和參數(shù)手冊，不考慮驅(qū)動電路體積和成本等因素，建議采用-5～-10V電壓提升關(guān)斷可靠性，并且還可以有效減少驅(qū)動功率。對于追求小體積和低成本的小功率IGBT驅(qū)動，可以采用單一電源供電。

2.2 飽和壓降

為了降低IGBT通態(tài)損耗，就要嚴(yán)格控制導(dǎo)通時的飽和電壓，這就需要有較高驅(qū)動開通電壓，最高不超過+20V。結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常將開通電壓控制在+15V為最佳。

2.3 IGBT寄生參數(shù)

功率回路、驅(qū)動電路直接受到IGBT寄生參數(shù)的影響，所以必須要提高對寄生參數(shù)的關(guān)注度。寄生參數(shù)包括輸入電容、輸出電容、米勒電容，這些參數(shù)都會直接給IGBT開關(guān)動作特性、驅(qū)動電路參數(shù)造成影響[1]。

2.4 IGBT管的米勒電容引發(fā)的米勒效應(yīng)

當(dāng)IGBT在開關(guān)時，普遍會遇到的一個問題，即由于寄生米勒電容Cg而產(chǎn)生的米勒平臺，如圖2所示，基于IGBT柵極G與集電極C之間的耦合，在IGBT關(guān)斷期間會產(chǎn)生一個很高的瞬態(tài)dv/dt，這樣會引發(fā)柵極G與發(fā)射極E間的電壓升高，而使IGBT誤導(dǎo)通，很容造成IGBT損壞[2]。

米勒效應(yīng)在IGBT的單電源驅(qū)動中產(chǎn)生的影響尤為明顯，常用如下方法來解決：一是改變柵極電阻，常采用不同的電阻分別進(jìn)行開通和關(guān)斷；二是在G和E之間適當(dāng)增加電容；三是G和E之間并入額外晶體管PNP的有源鉗位技術(shù)。

3 柵極保護(hù)與電壓應(yīng)力抑制

3.1 IGBT柵極保護(hù)

IGBT的柵極和發(fā)射極之間氧化膜很薄，因此過電壓有可能擊穿保護(hù)膜。對于普通的IGBT來說，柵極和發(fā)射極之間的電壓不允許超過±20V，如果出現(xiàn)超壓情況，就會造成IGBT損壞。所以，需要在柵極、發(fā)射極之間增設(shè)保護(hù)電路，確保IGBT系統(tǒng)可以安全平穩(wěn)運(yùn)行。

造成IGBT柵極超壓損壞的原因：首先是變流設(shè)備的生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝過程中，如果在此期間靜電電荷不斷累積，柵極G和發(fā)射集E之間靜電累積不斷增加，一旦超出了可承受能力，就會將IGBT柵極氧化層擊穿，造成IGBT損壞[3]。其次是變流設(shè)備正常運(yùn)行中，由于電路中電壓、電流、磁場的突然變化，在柵極和發(fā)射極之間產(chǎn)生尖峰電壓，對IGBT安全性帶來很大威脅。

3.2 IGBT集射極間電壓抑制

在IGBT正常運(yùn)行當(dāng)中，如果集電極C與發(fā)射極E間的電壓超過IGBT所能承受電壓，就會出現(xiàn)擊穿損壞。IGBT產(chǎn)生過壓現(xiàn)象主要是因?yàn)殡娐分须娏魍蛔?，由IGBT集射極間電壓V、電路雜散電感L、電流變化率D（主要是指電流下降速率di/dt）之間的關(guān)系，可知（V=L*di/dt）[4]。關(guān)斷電壓大小受到兩個方面影響：電路中雜散電感量和電流變化率。所以降低關(guān)斷電壓也可以從兩個方面出發(fā)：首先是減少線路中雜散電流（寄生電感量），但該方法成效有限；其次是在電路設(shè)計(jì)中減小電流變化率。下文主要是采用第二種方法。

針對電路中電流變化率較大的情況，可以在電流較大時自動關(guān)斷IGBT，如：在變流器過流、變流器短路時。為了減小電流的變化率，可以采用的方法有：首先，應(yīng)用有源鉗位，也就是在檢測到電壓過高時，高壓信號反饋到柵極，主動向柵極注入電流，這樣關(guān)斷的IGBT再次開通，降低電流變化率從而降低關(guān)斷電壓[5]。其次，采集IGBT集電極電壓，檢測到電壓較高時接通邏輯電路，實(shí)現(xiàn)緩慢關(guān)斷，相當(dāng)于增大了柵極驅(qū)動電阻，降低了電流變化率。

4 IGBT過流保護(hù)與短路保護(hù)

4.1 IGBT過流保護(hù)

變流器過電流的情況在使用過程中難以避免，一旦出現(xiàn)了過流情況，由于IGBT承擔(dān)功率變化，所以電流變大會影響IGBT可靠性。IGBT運(yùn)行中可以分為兩種形態(tài)：一是關(guān)斷、二是導(dǎo)通。導(dǎo)通時，由于是處于非線性區(qū)的飽和導(dǎo)通，管壓降非常小，損耗也就非常小。一旦發(fā)生了IGBT過流情況，如果處理不及時，IGBT電流會逐漸上升，達(dá)到額定電流的3倍以上，此時將產(chǎn)生IGBT將退出飽和，而進(jìn)入線性放大區(qū)[6]。放大區(qū)中，IGBT的電流增加，管壓降增大，讓IGBT瞬時功率增加。一旦IGBT過流超出安全范圍，就會出現(xiàn)過功率損壞風(fēng)險。

針對此類問題，必須要在IGBT過流時保證安全，第一時間關(guān)斷，但是關(guān)斷速度過快，代表電流變化率非常大，導(dǎo)致IGBT在關(guān)斷過程中會產(chǎn)生電壓尖峰，威脅IGBT運(yùn)行安全。因此，在關(guān)斷過程中可以采用有源鉗位、軟關(guān)斷等方法，實(shí)現(xiàn)電壓應(yīng)力抑制[7]。這樣一旦IGBT發(fā)生過流，便可以更加安全的關(guān)斷。

4.2 IGBT短路保護(hù)

如果變流器中的負(fù)載側(cè)故障，會直接產(chǎn)生短路情況，輸出電流會大幅度增加，流過IGBT的電流也會快速飆升[8]。通常IGBT短路有兩種情況：一是變流器橋臂中發(fā)生直通，回流路徑小、等效負(fù)載?。o限接近0）；二是在變流器負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路情況，此時等效短路阻抗大，比如，負(fù)載電動機(jī)電纜破損產(chǎn)生的短路就屬于這種情況，是變流器較為嚴(yán)重的短路問題。在產(chǎn)生短路問題時，如果不及時采取措施，會直接讓IGBT退出飽和而進(jìn)入放大區(qū)，其瞬時耗散功率突然劇增而造成損壞。這就要求在發(fā)生短路時，不僅要及時關(guān)斷IGBT，而且為了保持電流變化率，關(guān)斷速度要控制得比較平緩，以免因快速關(guān)斷而產(chǎn)生過電壓造成IGBT 損壞。產(chǎn)生橋臂直通短路故障時，IGBT工作電流快速上升，在短時間內(nèi)產(chǎn)生退飽和電流，如果此時快速關(guān)斷IGBT，會產(chǎn)生非常大的尖峰電壓，甚至直接超過限值。所以這類短路也要緩慢關(guān)斷IGBT[9-10]。

很多專用IGBT驅(qū)動集成電路都具備IGBT軟關(guān)斷功能，如M57962AL、HCPL316J等，并且M57962AL還可以外部調(diào)節(jié)軟關(guān)斷時間。

5 結(jié)語

綜上所述，在IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，除了要確保驅(qū)動電路性能符合標(biāo)準(zhǔn)，還要保證IGBT驅(qū)動電路可以安全、平穩(wěn)運(yùn)行，在極各種端情況下保證IGBT不受損壞。本文通過IGBT驅(qū)動電路參數(shù)、柵極保護(hù)與過電壓抑制、過流與短路保護(hù)三個方面進(jìn)行了分析，旨在保證IGBT系統(tǒng)運(yùn)行的安全有效性。