詳解IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案

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

　　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I(xiàn)GBT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(qū)動(dòng)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(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動(dòng)電路也必須輸出一定的峰值電流。

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

　　柵極特性

　　IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達(dá)到20～30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)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(huì)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(qū)動(dòng)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Cge和Cgc，以及發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路中存在有分布電感Le，這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開通和關(guān)斷的因素。這可以用帶續(xù)流二極管的電感負(fù)載電路(見圖1)得到驗(yàn)證。

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　　圖1 IGBT開關(guān)等效電路和開通波形

　　在t0時(shí)刻，柵極驅(qū)動(dòng)電壓開始上升，此時(shí)影響柵極電壓uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge，柵極電壓上升較快。在t1時(shí)刻達(dá)到IGBT的柵極門檻值，集電極電流開始上升。從此時(shí)開始有2個(gè)原因?qū)е聈ge波形偏離原有的軌跡。

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

　　其次，另一個(gè)影響柵極驅(qū)動(dòng)電路電壓的因素是柵極-集電極電容Cgc的密勒效應(yīng)。t2時(shí)刻，集電極電流達(dá)到最大值，進(jìn)而柵極-集電極間電容Cgc開始放電，在驅(qū)動(dòng)電路中增加了Cgc的容性電流，使得在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅(qū)動(dòng)電壓。顯然，柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗越低，這種效應(yīng)越弱，此效應(yīng)一直維持到t3時(shí)刻，uce降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT的開通過程。在t3時(shí)刻后，ic達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，影響柵極電壓uge的因素消失后，uge以較快的上升率達(dá)到最大值。

　　由圖1波形可看出，由于Le和Cgc的存在，在IGBT的實(shí)際運(yùn)行中uge的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅(qū)動(dòng)電壓上升的效應(yīng)，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(yīng)，應(yīng)使IGBT模塊的Le和Cgc及柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻盡量小，以獲得較快的開通速度。

　　IGBT關(guān)斷時(shí)的波形如圖2所示。t0時(shí)刻柵極驅(qū)動(dòng)電壓開始下降，在t1時(shí)刻達(dá)到剛能維持集電極正常工作電流的水平，IGBT進(jìn)入線性工作區(qū)，uce開始上升，此時(shí)，柵極-集電極間電容Cgc的密勒效應(yīng)支配著uce的上升，因Cgc耦合充電作用，uge在t1-t2期間基本不變，在t2時(shí)刻uge和ic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(shí)，uge及ic均降為零，關(guān)斷結(jié)束。

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　　圖2 IGBT關(guān)斷時(shí)的波形

　　由圖2可看出，由于電容Cgc的存在，使得IGBT的關(guān)斷過程也延長了許多。為了減小此影響，一方面應(yīng)選擇Cgc較小的IGBT器件;另一方面應(yīng)減小驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗，使流入Cgc的充電電流增加，加快了uce的上升速度。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT的uge幅值也影響著飽和導(dǎo)通壓降：uge增加，飽和導(dǎo)通電壓將減小。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。通常uge為15～18V，若過高，容易造成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關(guān)斷時(shí)給其柵極-發(fā)射極加一定的負(fù)偏壓有利于提高IGBT的抗騷擾能力，通常取5～10V。

　　柵極串聯(lián)電阻對柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響

　　柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率對IGBT開通關(guān)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(qū)動(dòng)波形的影響較大。IGBT的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少子的復(fù)合速率，少子的復(fù)合受MOSFET的關(guān)斷影響，所以柵極驅(qū)動(dòng)對IGBT的關(guān)斷也有影響。

　　在高頻應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率應(yīng)快一些，以提高IGBT開關(guān)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(fù)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(dǎo)致IGBT損害。此時(shí)應(yīng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價(jià)是較大的開通損耗。利用此技術(shù)，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(qū)動(dòng)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(huì)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(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面綜合的考慮。

　　柵極電阻對驅(qū)動(dòng)脈沖的波形也有影響。電阻值過小時(shí)會(huì)造成脈沖振蕩，過大時(shí)脈沖波形的前后沿會(huì)發(fā)生延遲和變緩。IGBT的柵極輸入電容Cge隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿速率，對于電流容量大的IGBT器件，應(yīng)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(yīng)隨著IGBT電流容量的增加而減小。

　　IGBT的驅(qū)動(dòng)電路

　　IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能：

　　1. 是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離;

　　2. 是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。

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　　圖3 由分立元器件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路

　　圖3為采用光耦合器等分立元器件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)輸入控制信號時(shí)，光耦VLC導(dǎo)通，晶體管V2截止，V3導(dǎo)通輸出+15V驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)輸入控制信號為零時(shí)，VLC截止，V2、V4導(dǎo)通，輸出-10V電壓。+15V和-10V電源需靠近驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和發(fā)射極的引線應(yīng)采用雙絞線，長度最好不超過0.5m。