詳解IGBT模塊驅(qū)動(dòng)以及相應(yīng)保護(hù)技術(shù)

圖5 實(shí)現(xiàn)慢降柵壓的電路

正常工作時(shí)，因故障檢測(cè)二極管VD1的導(dǎo)通， 將a點(diǎn)的電壓鉗位在穩(wěn)壓二極管VZ1的擊穿電壓以下，晶體管VT1始終保持截止?fàn)顟B(tài)。V1通過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻Rg正常開通和關(guān)斷。電容C2為硬開關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合提供一很小的延時(shí)，使得V1開通時(shí)uce有一定的時(shí)間從高電壓降到通態(tài)壓降，而不使保護(hù)電路動(dòng)作。

當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流和短路故障時(shí)，V1上的uce 上升，a點(diǎn)電壓隨之上升，到一定值時(shí)，VZ1擊穿，VT1開通，b點(diǎn)電壓下降，電容C1通過(guò)電阻R1充電，電容電壓從零開始上升，當(dāng)電容電壓上升到約 1.4V時(shí)，晶體管VT2開通，柵極電壓uge隨電容電壓的上升而下降，通過(guò)調(diào)節(jié)C1的數(shù)值，可控制電容的充電速度，進(jìn)而控制uge的下降速度；當(dāng)電容電壓上升到穩(wěn)壓二極管VZ2的擊穿電壓時(shí)，VZ2擊穿，uge被鉗位在一固定的數(shù)值上，慢降柵壓過(guò)程結(jié)束，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)光耦輸出過(guò)流信號(hào)。如果在延時(shí)過(guò)程中，故障信號(hào)消失了，則a點(diǎn)電壓降低，VT1恢復(fù)截止，C1通過(guò)R2放電，d點(diǎn)電壓升高，VT2也恢復(fù)截止，uge上升，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

IGBT開關(guān)過(guò)程中的過(guò)電壓

關(guān)斷IGBT時(shí)，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù)kA/μs。極高的電流下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過(guò)電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)將會(huì)使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對(duì)于IGBT的開通來(lái)說(shuō)，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過(guò)改善柵極驅(qū)動(dòng)條件來(lái)加以控制。

IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路

為了使IGBT關(guān)斷過(guò)電壓能得到有效的抑制并減小關(guān)斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型。

(a)RC型 (b)RCD型

圖 6 充 放 電 型 IGBT緩 沖 吸 收 電 路

充放電型有RC吸收和RCD吸收2種。如圖6所示。 RC吸收電路因電容C的充電電流在電阻R上產(chǎn)生壓降，還會(huì)造成過(guò)沖電壓。RCD電路因用二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過(guò)沖電壓。

(a)LC型 (b)RLCD型 (c)RLCD型

圖7 三 種 放 電 阻 止 型 吸 收 電 路

圖7是三種放電阻止型吸收電路。放電阻止型緩沖電路中吸收電容Cs的放電電壓為電源電壓，每次關(guān)斷前，Cs僅將上次關(guān)斷電壓的過(guò)沖部分能量回饋到電源，減小了吸收電路的功耗。因電容電壓在IGBT關(guān)斷時(shí)從電源電壓開始上升，它的過(guò)電壓吸收能力不如RCD型充放電型。從吸收過(guò)電壓的能力來(lái)說(shuō)，放電阻止型吸收效果稍差，但能量損耗較小。

對(duì)緩沖吸收電路的要求是：

1)盡量減小主電路的布線電感La；

2)吸收電容應(yīng)采用低感吸收電容，它的引線應(yīng)盡量短，最好直接接在IGBT的端子上；

3)吸收二極管應(yīng)選用快開通和快軟恢復(fù)二極管，以免產(chǎn)生開通過(guò)電壓和反向恢復(fù)引起較大的振蕩過(guò)電壓。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意幾點(diǎn)事項(xiàng)：

1、IGBT由于有集電極-柵極寄生電容的密勒效應(yīng)影響，能引起意外的電壓尖峰損害，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)讓柵極電路的阻抗足夠低以盡量消除其負(fù)面影響。

2、柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對(duì)IGBT的開通過(guò)程及驅(qū)動(dòng)脈沖的波形都有很大影響。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

3、應(yīng)采用慢降柵壓技術(shù)來(lái)控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和uce的峰值，達(dá)到短路保護(hù)的目的。