詳解IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案

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　　圖4 由集成電路TLP250構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器

　　圖4為由集成電路TLP250構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器。TLP250內(nèi)置光耦的隔離電壓可達(dá)2500V，上升和下降時(shí)間均小于0.5μs，輸出電流達(dá)0.5A，可直接驅(qū)動(dòng)50A/1200V以內(nèi)的IGBT。外加推挽放大晶體管后，可驅(qū)動(dòng)電流容量更大的IGBT。TLP250構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器體積小，價(jià)格便宜，是不帶過(guò)流保護(hù)的IGBT驅(qū)動(dòng)器中較理想的選擇。

　　IGBT的過(guò)流保護(hù)

　　IGBT的過(guò)流保護(hù)電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的(1.2～1.5倍)的過(guò)載保護(hù);一類是高倍數(shù)(可達(dá)8～10倍)的短路保護(hù)。

　　對(duì)于過(guò)載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測(cè)輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過(guò)設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過(guò)載電流保護(hù)，一旦動(dòng)作后，要通過(guò)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。

　　IGBT能承受很短時(shí)間的短路電流，能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時(shí)間小于5μs，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時(shí)間可達(dá)15μs，4～5V時(shí)可達(dá)30μs以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時(shí)間迅速減小。

　　通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過(guò)流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號(hào)與啟動(dòng)保護(hù)電路之間加一延時(shí)，不過(guò)故障電流會(huì)在這個(gè)延時(shí)內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護(hù)電路啟動(dòng)了，器件仍然壞了。

　　降柵壓旨在檢測(cè)到器件過(guò)流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(zhǎng)了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt，對(duì)器件保護(hù)十分有利。若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。

　　上述降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電流大小的關(guān)系，而在實(shí)際過(guò)程中，降柵壓的速度也是一個(gè)重要因素，它直接決定了故障電流下降的di/dt。慢降柵壓技術(shù)就是通過(guò)限制降柵壓的速度來(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。圖5給出了實(shí)現(xiàn)慢降柵壓的具體電路。

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　　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(kāi)通和關(guān)斷。電容C2為硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合提供一很小的延時(shí)，使得V1開(kāi)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(kāi)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(kāi)始上升，當(dāng)電容電壓上升到約1.4V時(shí)，晶體管VT2開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)通損耗，承受較高的開(kāi)通電流上升率。一般情況下IGBT開(kāi)關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開(kāi)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。充放電型有RC吸收和RCD吸收2種。如圖6所示。

　　圖6 充放電型IGBT緩沖吸收電路

　　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。

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　　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(kāi)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(kāi)通和快軟恢復(fù)二極管，以免產(chǎn)生開(kāi)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(kāi)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。

　　4. 在工作電流較大的情況下，為了減小關(guān)斷過(guò)電壓，應(yīng)盡量減小主電路的布線電感，吸收電容器應(yīng)采用低感型。