詳解IGBT模塊驅(qū)動以及相應保護技術

圖5 實現(xiàn)慢降柵壓的電路

正常工作時，因故障檢測二極管VD1的導通， 將a點的電壓鉗位在穩(wěn)壓二極管VZ1的擊穿電壓以下，晶體管VT1始終保持截止狀態(tài)。V1通過驅(qū)動電阻Rg正常開通和關斷。電容C2為硬開關應用場合提供一很小的延時，使得V1開通時uce有一定的時間從高電壓降到通態(tài)壓降，而不使保護電路動作。

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

IGBT開關過程中的過電壓

關斷IGBT時，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，如不采取軟關斷措施，它的臨界電流下降率將達到數(shù)kA/μs。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應出較高的過電壓，導致IGBT關斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復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開關電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動條件來加以控制。

IGBT的關斷緩沖吸收電路

為了使IGBT關斷過電壓能得到有效的抑制并減小關斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設置關斷緩沖吸收電路。IGBT的關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，還會造成過沖電壓。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，每次關斷前，Cs僅將上次關斷電壓的過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關斷時從電源電壓開始上升，它的過電壓吸收能力不如RCD型充放電型。從吸收過電壓的能力來說，放電阻止型吸收效果稍差，但能量損耗較小。

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

3)吸收二極管應選用快開通和快軟恢復二極管，以免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復引起較大的振蕩過電壓。

結語

本文對IGBT的驅(qū)動和保護技術進行了詳細的分析，得出了設計時應注意幾點事項：

1、IGBT由于有集電極-柵極寄生電容的密勒效應影響，能引起意外的電壓尖峰損害，所以設計時應讓柵極電路的阻抗足夠低以盡量消除其負面影響。

2、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。所以設計時應綜合考慮。

3、應采用慢降柵壓技術來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，達到短路保護的目的。