IGBT功率元件的應(yīng)用及保護技術(shù)

　　隨著半導(dǎo)體元件制造工藝的完善和制造技術(shù)的提高，半導(dǎo)體功率元件正朝著大電流、高電壓、快通斷、功耗小、易保護、模塊化方向發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)了雙極性晶體管GTR、功率場效應(yīng)管MOSFET、功率絕緣柵控雙極性晶體管IGBT。IGBT晶體管是集GTR與MOSFET二者優(yōu)點于一體的復(fù)合器件，它既有MOSFET的輸入阻抗高、速度快、開關(guān)損耗小、驅(qū)動電路簡單、要求驅(qū)動功率小、極限工作溫度高、易驅(qū)動的特點，又具有功率晶體管GTR的通態(tài)電壓低、耐壓高和電流容量大的優(yōu)點，為電壓控制通斷的自關(guān)斷器件，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于數(shù)十kHz頻率范圍內(nèi)，功率元件IGBT正日益廣泛地應(yīng)用于體積小、噪音低、性能高的變頻電源及大功率的交流伺服電機的調(diào)速系統(tǒng)中，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位，并已開始在上述領(lǐng)域中取代功率雙極性晶體管GTR 和功率場效應(yīng)管MOSFET 中。與GTR和MOSFET一樣，IGBT應(yīng)用的關(guān)鍵問題是驅(qū)動電路和保護電路，本文根據(jù)在實際工作中對IGBT的應(yīng)用討論有關(guān)IGBT的驅(qū)動及保護問題。

　　2 IGBT對控制驅(qū)動電路的要求

　　功率IGBT是電壓驅(qū)動元件，具有一個(3～6)V的閾值電壓，有一個較大的容性輸入阻抗，對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，IGBT開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動電路性能的變化而變化，驅(qū)動電路性能直接決定IGBT能否正常工作，IGBT常采用柵極驅(qū)動，與其它自關(guān)斷器件一樣，IGBT對驅(qū)動電路也有一些特殊要求。

　　極驅(qū)動電壓UGE。在IGBT開通時，脈沖前沿很陡的柵極電壓加到柵極和發(fā)射極之間，使IGBT快速開通，開通時間短，減小開通損耗;在關(guān)斷時，下降沿陡的反向偏置電壓加到柵極與發(fā)射極間，使之快速關(guān)斷，減小關(guān)斷損耗。因此，用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。IGBT導(dǎo)通中及瞬時過載時，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。

　　閾值電壓UGE(th)由器件本身性能決定，實際應(yīng)用中UGE應(yīng)不小于(1.5～2.5)UGE(th)，以利獲得最小導(dǎo)通壓降。當(dāng)UGE增加時，導(dǎo)通狀態(tài)下的集射電壓UCE壓減小，通態(tài)壓降和開通損耗均下降;但負(fù)載過程中UGE增加，集電極電流Ic也隨之增加，IGBT能承受短路電流的時間減小，對其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中Uge應(yīng)選得小些，由于飽和導(dǎo)通電壓是IGBT發(fā)熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。綜合考慮，一般選+15V;IGBT關(guān)斷時，柵射極間加反偏電壓有利于IGBT迅速關(guān)斷，但反偏電壓-UGE受柵射極間反向最大耐壓限制，過大則造成柵射極的反向擊穿，一般-UGE為(-2～-10)V，通常取-5 V關(guān)柵電壓。電路上采用穩(wěn)壓管的辦法，用+20 V 電壓來產(chǎn)生+15V 開柵電壓和-5V關(guān)柵電壓。

　　柵極電阻RG。IGBT 的輸入阻抗高達109～ 1011歐姆，且為純?nèi)菪缘模恍柚绷麟娏?，在它的柵極～發(fā)射極間施加十幾伏的電壓，只有uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。為了改善控制脈沖前后沿陡度，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯(lián)電阻RG，柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動電路內(nèi)阻抗對IGBT的開通過程影響較大，而對關(guān)斷過程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速率，減小關(guān)斷損耗，但過小會造成di/dt增高，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰，可能引起誤導(dǎo)通或損壞IGBT。因此對串聯(lián)電阻要根據(jù)具體電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率的不同，選擇合適的阻值，而且柵極串聯(lián)電阻應(yīng)隨著IGBT電流容量的增加而減小。一般RG為十幾歐至幾百歐。

　　柵射電阻RGE。當(dāng)集射極問加有高壓時易受干擾使柵射電壓超過UGE(th)引起誤導(dǎo)通，在柵射極間并接一柵射電阻RGE可防止此現(xiàn)象發(fā)生;RGE阻值太小，會使IGBT開通時間變大，降低了開關(guān)頻率，通常RGE取(1000～5000)RG。并將RGE并在柵極與射極最近處。此外，為防止出現(xiàn)尖峰電壓，在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓值與開柵電壓+UGE和關(guān)柵電壓-UGE相同，方向相反。

　　柵極驅(qū)動電路要簡單、實用，抗干擾性能好，自身保護功能完整，到IGBT的引出線盡量短，采用雙絞線，驅(qū)動電路與控制電路采用光電耦合隔離。

3 IGBT驅(qū)動電路應(yīng)用實例

　　IGBT的驅(qū)動電路必須具備兩個功能：一是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。IGBT的驅(qū)動電路很多，分立元件搭成的驅(qū)動電路，簡單、廉價;專用集成驅(qū)動電路保護功能完善、性能穩(wěn)定，但價格稍貴些。

　　EXB841是日本富士公司生產(chǎn)的混合集成電路，能驅(qū)動動高達400A 的600V IGBT 和高達300A的1200V IGBT，模塊功能較完善，具有單電源、正負(fù)偏壓、過流檢測、保護、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比較典型的驅(qū)動電路。用+20V直流電源供電，能產(chǎn)生+15V 的開柵電壓和-5V 的關(guān)柵電壓，內(nèi)裝TLP550高速光耦隔離芯片，驅(qū)動電路信號延遲小于1us，內(nèi)部集成了過流檢測電路及低速過流切斷電路，在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。使用該模塊時要注意如下方面：IGBT的珊射極驅(qū)動回路接線一定要小于1 m;IGBT的柵射驅(qū)動接線應(yīng)為雙絞線;如果在IGBT集電極產(chǎn)生大的電壓脈沖，則要增加IGBT的珊極串聯(lián)電阻(RG);47uF電容用于吸收由于電源接線阻抗引起的電壓變化，并不是電源濾波器的電容器。下圖為由EXB841組成的驅(qū)動及保護電路：

　　圖1 驅(qū)動、保護電路圖

　　IGBT正常工作時，EXB841的過流信號指示端5腳為高電平，4N25不導(dǎo)通，觸發(fā)器R腳為“0”，Q腳為“1”，IGBT正常工作。當(dāng)IGBT出現(xiàn)過流信號時，EXB841內(nèi)部過流檢測電路經(jīng)幾微秒延時，以濾掉干擾信號，5腳變?yōu)榈碗娖剑?N25導(dǎo)通，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q腳為“0”，關(guān)斷IGBT驅(qū)動信號，起到保護作用。在工作中，應(yīng)用了專用集成驅(qū)動模塊EXB841，驅(qū)動了2 kw 的感性負(fù)載一高頻疲勞試驗機的電磁激勵線圈，效果很好。

　　4 結(jié)束語

　　本文對IGBT的驅(qū)動和保護進行了分析，結(jié)合實際應(yīng)用，得出了如下幾點結(jié)論：

　　柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動電路內(nèi)阻抗對IGBT的開通過程及驅(qū)動脈沖的波形都有很大影響。設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。

　　在大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。

　　由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離，驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。

　　IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護功能，有較強的抗干擾能力。

　　在實際應(yīng)用中，為達到更好的效果，在過流保護上還需采用如軟關(guān)斷、降柵壓等方法;采用鉗位電路防止產(chǎn)生浪涌電壓等。