IGBT模塊驅動及保護技術

摘要：對IGBT柵極驅動特性、柵極串聯(lián)電阻及其驅動電路進行了探討。提出了慢降柵壓過流保護和過電壓吸收的有效方法。

關鍵詞：開關電源；絕緣柵雙極晶體管；驅動保護

Technology of Drive ＆ Protection Circuit for IGBT Module

JIANG Huai-gang, LI Qiao, HE Zhi-wei

Abstract:The gate drive characteristic,the gate series resistance and the drive circuit of IGBT are discussed,and the technique of overcurrent protection by reducing gate voltage slowly is presented.It is also given that effective protective method of overvoltage.

Keywords:Switching power supply; IGBT; Driving protection

中圖分類號：TN386 文獻標識碼：A 文章編號：0219－2713(2003)04－0132－05

1 引言

IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復合器件。它既有MOSFET易驅動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據(jù)了主導地位。

IGBT是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有μA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。但IGBT的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬pF），在驅動脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)A的充放電電流，才能滿足開通和關斷的動態(tài)要求，這使得它的驅動電路也必須輸出一定的峰值電流。

IGBT作為一種大功率的復合器件，存在著過流時可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問題。在過流時如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化率會引起過電壓，為此需要采用軟關斷技術，因而掌握好IGBT的驅動和保護特性是十分必要的。

2 柵極特性

IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達到20～30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在應用中有時雖然保證了柵極驅動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極－集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。通常采用絞線來傳送驅動信號，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。

由于IGBT的柵極－發(fā)射極和柵極－集電極間存在著分布電容C_ge和C_gc，以及發(fā)射極驅動電路中存在有分布電感L_e，這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的實際驅動波形與理想驅動波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開通和關斷的因素。這可以用帶續(xù)流二極管的電感負載電路（見圖1）得到驗證。

(a)等 效 電 路 (b)開 通 波 形

圖1 IGBT開關等效電路和開通波形

在t₀時刻，柵極驅動電壓開始上升，此時影響柵極電壓u_ge上升斜率的主要因素只有R_g和C_ge，柵極電壓上升較快。在t₁時刻達到IGBT的柵極門檻值，集電極電流開始上升。從此時開始有2個原因導致u_ge波形偏離原有的軌跡。

首先，發(fā)射極電路中的分布電感L_e上的感應電壓隨著集電極電流i_c的增加而加大，從而削弱了柵極驅動電壓，并且降低了柵極－發(fā)射極間的u_ge的上升率，減緩了集電極電流的增長。

其次，另一個影響柵極驅動電路電壓的因素是柵極－集電極電容C_gc的密勒效應。t₂時刻，集電極電流達到最大值，進而柵極－集電極間電容C_gc開始放電，在驅動電路中增加了C_gc的容性電流，使得在驅動電路內阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅動電壓。顯然，柵極驅動電路的阻抗越低，這種效應越弱，此效應一直維持到t₃時刻，u_ce降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT的開通過程。在t₃時刻后，i_c達到穩(wěn)態(tài)值，影響柵極電壓u_ge的因素消失后，u_ge以較快的上升率達到最大值。

由圖1波形可看出，由于L_e和C_gc的存在，在IGBT的實際運行中u_ge的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅動電壓上升的效應，表現(xiàn)為對集電極電流上升及開通過程的阻礙。為了減緩此效應，應使IGBT模塊的L_e和C_gc及柵極驅動電路的內阻盡量小，以獲得較快的開通速度。

IGBT關斷時的波形如圖2所示。t₀時刻柵極驅動電壓開始下降，在t₁時刻達到剛能維持集電極正常工作電流的水平，IGBT進入線性工作區(qū)，u_ce開始上升，此時，柵極－集電極間電容C_gc的密勒效應支配著u_ce的上升，因C_gc耦合充電作用，u_ge在t₁－t₂期間基本不變，在t₂時刻u_ge和i_c開始以柵極－發(fā)射極間固有阻抗所決定的速度下降，在t₃時，u_ge及i_c均降為零，關斷結束。

由圖2可看出，由于電容C_gc的存在，使得IGBT的關斷過程也延長了許多。為了減小此影響，一方面應選擇C_gc較小的IGBT器件；另一方面應減小驅動電路的內阻抗，使流入C_gc的充電電流增加，加快了u_ce的上升速度。

圖 2 IGBT關 斷 時 的 波 形

在實際應用中，IGBT的u_ge幅值也影響著飽和導通壓降：u_ge增加，飽和導通電壓將減小。由于飽和導通電壓是IGBT發(fā)熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。通常u_ge為15～18V，若過高，容易造成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關斷時給其柵極－發(fā)射極加一定的負偏壓有利于提高IGBT的抗騷擾能力，通常取5～10V。

3 柵極串聯(lián)電阻對柵極驅動波形的影響

柵極驅動電壓的上升、下降速率對IGBT開通關斷過程有著較大的影響。IGBT的MOS溝道受柵極電壓的直接控制，而MOSFET部分的漏極電流控制著雙極部分的柵極電流，使得IGBT的開通特性主要決定于它的MOSFET部分，所以IGBT的開通受柵極驅動波形的影響較大。IGBT的關斷特性主要取決于內部少子的復合速率，少子的復合受MOSFET的關斷影響，所以柵極驅動對IGBT的關斷也有影響。

在高頻應用時，驅動電壓的上升、下降速率應快一些，以提高IGBT開關速率降低損耗。

在正常狀態(tài)下IGBT開通越快，損耗越小。但在開通過程中如有續(xù)流二極管的反向恢復電流和吸收電容的放電電流，則開通越快，IGBT承受的峰值電流越大，越容易導致IGBT損害。此時應降低柵極驅動電壓的上升速率，即增加柵極串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價是較大的開通損耗。利用此技術，開通過程的電流峰值可以控制在任意值。

由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅動電路內阻抗對IGBT的開通過程影響較大，而對關斷過程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關斷速率，減小關斷損耗，但過小會造成di/dt過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰。因此對串聯(lián)電阻要根據(jù)具體設計要求進行全面綜合的考慮。

柵極電阻對驅動脈沖的波形也有影響。電阻值過小時會造成脈沖振蕩，過大時脈沖波形的前后沿會發(fā)生延遲和變緩。IGBT的柵極輸入電容C_ge隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅動脈沖前后沿速率，對于電流容量大的IGBT器件，應提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應隨著IGBT電流容量的增加而減小。