IGBT驅動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：為解決中、大功率等級IGBT的可靠驅動(dòng)問(wèn)題，本文提出了驅動(dòng)電路的關(guān)鍵參數設計方案。同時(shí)，在變流器極端工況下研究了IGBT的相關(guān)特性，提出了極端工況IGBT的保護措施，包括IGBT柵極電壓應力防護、VCE電壓應力抑制、過(guò)流與短路等工況的保護措施及工作原理。對電壓應力抑制的關(guān)鍵方案：有源鉗位、高級有源鉗位、軟關(guān)斷等特性進(jìn)行理論分析，并給出解決實(shí)際問(wèn)題的應用電路。通過(guò)雙脈沖試驗驗證了文中提出的相關(guān)理論的科學(xué)性以及給出的解決方案的可行性。

引言

　　絕緣柵雙極型晶體管IGBT(insulated gate bipolar transistor)是一種將MOSFET(場(chǎng)效應晶體管)和GTR(電力晶體管)集成于一體的復合型器件。IGBT以其優(yōu)良的開(kāi)關(guān)特性、易于驅動(dòng)觸發(fā)、穩定的熱性能、較高的電流承載能力、較高的阻斷電壓等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于機車(chē)變流器、風(fēng)能、光伏、UPS、變頻器等領(lǐng)域。

　　IGBT在變流設備工作中承擔著(zhù)功率變換和能量傳輸的關(guān)鍵作用。據有關(guān)工程應用技術(shù)數據顯示，由于IGBT損壞而造成的各類(lèi)變流設備發(fā)生故障的概率超過(guò)90%。因此，IGBT的安全可靠應用問(wèn)題已成為國內外相關(guān)領(lǐng)域專(zhuān)家、學(xué)者及工程技術(shù)人員的研究熱點(diǎn)。IGBT的應用可靠性問(wèn)題，相當大的比重在于其驅動(dòng)可靠性及其保護的設計。本文以IGBT驅動(dòng)為研究對象，從IGBT的驅動(dòng)電路設計要點(diǎn)、柵極保護電路、電壓應力防護以及過(guò)流與短路保護等方面展開(kāi)，給出IGBT可靠驅動(dòng)的理論分析及電路解決方案。

1 IGBT驅動(dòng)關(guān)鍵參數

　　變流設備的核心器件IGBT在功率變換中起著(zhù)關(guān)鍵作用。IGBT本身的工作特性，直接影響著(zhù)變流器的性能，而直接影響IGBT工作性能的驅動(dòng)電路，其設計的合理性也就決定變流器的各項性能指標。

　　第一，IGBT驅動(dòng)電路要根據具體的IGBT參數設計驅動(dòng)電路的功率，包括驅動(dòng)的平均功率與瞬時(shí)峰值功率。驅動(dòng)電路的功率直接決定其能否穩定驅動(dòng)相應的IGBT，保證IGBT可靠開(kāi)關(guān)動(dòng)作。驅動(dòng)電路的功率要根據IGBT具體規格而定，主要涉及柵極電荷QG。第二，IGBT的關(guān)斷電流拖尾效應也是驅動(dòng)電路設計所要研究的問(wèn)題之一。采用負向的柵源電壓可將IGBT快速關(guān)斷，從而防止電流拖尾效應。負向的驅動(dòng)關(guān)斷電壓也可抑制米勒效應，防止IGBT誤導通。第三，要保證IGBT低的通態(tài)損耗，就必須使其在安全導通時(shí)有較低的飽和壓降，這樣就要求較高的驅動(dòng)開(kāi)通電壓，但不能超過(guò)其限值±20V，因此，選擇15V為開(kāi)通電壓。第四，要盡量減小驅動(dòng)電路的功率，負向的關(guān)斷電壓大小可以有效優(yōu)化驅動(dòng)功率。過(guò)低的負向關(guān)斷電壓必然造成較大的驅動(dòng)功率，因此，根據相關(guān)數據資料，選擇負向10V的電壓來(lái)可靠關(guān)斷，且驅動(dòng)功率也有所減小。第五，IGBT寄生參數對功率回路及驅動(dòng)電路的影響也必須要重視，輸入電容、米勒電容、輸出電容等直接影響IGBT的開(kāi)關(guān)動(dòng)作特性及驅動(dòng)電路的各項參數。圖1所示為IGBT驅動(dòng)電路的基本構成。

2 IGBT柵極保護分析

　　IGBT柵極G與發(fā)射極E間氧化膜厚度較小，極易由于過(guò)電壓而擊穿。一般的IGBT，其G、E間最高耐壓為±20V，超過(guò)此電壓范圍將會(huì )損壞IGBT。為此，在驅動(dòng)電路設計中增加此處的保護功能，保證IGBT安全可靠。

　　IGBT由于柵極過(guò)壓而損壞的情況，一般有兩種。第一，在變流設備出廠(chǎng)后的運輸途中，或未投入運行時(shí)，由于靜電電荷不斷積累，G、E間的靜電電壓持續增大，當超過(guò)IGBT G、E間所能承受的電壓范圍后，將會(huì )擊穿IGBT的柵極氧化膜，從而損壞IGBT。第二，IGBT在變流器正常運行中，由于電路中的電壓、電流及磁場(chǎng)的突變，在G、E間產(chǎn)生電壓尖峰，也會(huì )對IGBT產(chǎn)生很大的威脅。以上兩個(gè)工況需要通過(guò)IGBT柵極保護電路設計來(lái)解決。第一，為防止靜電電荷不斷積累而使G、E間電壓增大，在G、E間直接放電阻，將靜電電荷釋放，電阻值一般為10kohm。第二，采用G、E間增加TVS管(瞬變電壓抑制二極管)來(lái)抑制電路中電流與磁場(chǎng)等相關(guān)物理量突變而引起的柵極過(guò)電壓?；蛘?，也可在柵極與驅動(dòng)的正向電源上增加鉗位的肖特基二極管來(lái)將柵極的電壓尖峰釋放在電源上。圖2所示為IGBT柵極保護設計。

3 IGBT電壓應力抑制

　　有關(guān)數據表明，IGBT在其整個(gè)生命周期中，因電路中超過(guò)其所能承受的電壓而擊穿損壞的占整個(gè)IGBT失效類(lèi)型的比例較大。為此，在IGBT驅動(dòng)電路設計中，有關(guān)其過(guò)電壓防護問(wèn)題顯得尤為重要。

　　IGBT出現過(guò)電壓的現象主要由于電路中過(guò)大的電流變化率而導致，如式(1)所示。其中，VCE為IGBT集電極與發(fā)射極兩端電壓;Ls為電路中雜散電感;di/dt為IGBT電流的變化率，此處一般為電流的下降速率。由式(1)可見(jiàn)，關(guān)斷電壓應力大小主要取決于兩方面：第一，電路中的雜散電感量;第二，電流的變化率。這兩個(gè)方面直接決定應力的大小。因此，減小電壓應力的方法有兩種：第一，盡量減小線(xiàn)路中的雜散參數，即寄生電感量，但該方法的成效有限;第二，通過(guò)電路的設計，減小電流變化率，從而降低電壓應力。本文中主要針對第二種方法進(jìn)行研究。

(1)

　　對于電路中較大的電流變化，主要發(fā)生在電流較大時(shí)，IGBT的關(guān)斷狀態(tài)，包括變流器過(guò)流或短路等狀態(tài)。為保證此刻IGBT關(guān)斷電壓應力不超標，就應該將電流變化率減小。流過(guò)IGBT的電流變化率主要由其關(guān)斷的速度決定，因此，可以通過(guò)減小IGBT關(guān)斷速度來(lái)減小電流變化率。而減小關(guān)斷速度的方法一般有兩種：第一，采用有源鉗位的方法，當采集到電壓應力過(guò)高時(shí)，利用相關(guān)電路將該信號反饋給柵極，即主動(dòng)給柵極注入電流，使正在關(guān)斷的IGBT再次開(kāi)通，從而減小電流變化率，減小電壓應力;第二，驅動(dòng)電路中采集IGBT的電壓應力，在電壓應力過(guò)高時(shí)采用相關(guān)邏輯電路，將其緩慢關(guān)斷，等效與較大的柵極驅動(dòng)電阻值，從而減小電流變化率，進(jìn)而減小電壓應力。

　　圖3為有源鉗位電路工作原理圖，由TVS管和恢復二極管構成。當集電極電位過(guò)高時(shí)，TVS被擊穿，有電流流進(jìn)門(mén)極，門(mén)極電位得以抬升，從而使關(guān)斷電流變化率減小，進(jìn)而減小尖峰。這個(gè)鉗位過(guò)程的本質(zhì)是一個(gè)負反饋環(huán)路，給定的是TVS擊穿點(diǎn)，被控對象是集電極電位。

　　當檢測到IGBT的VCE較高時(shí)，觸發(fā)軟關(guān)斷有效，將IGBT的關(guān)斷速度減緩，從而減小電流的變化率，抑制電壓應力。軟關(guān)斷的過(guò)程可以等效為IGBT的關(guān)斷電阻Roff變大的狀態(tài)，如圖4所示。

4 IGBT過(guò)流及短路保護

　　(1)IGBT過(guò)電流保護

　　變流器在一般工作時(shí)，過(guò)流是一種較為常見(jiàn)的狀態(tài)。在過(guò)流時(shí)，承擔功率變換的IGBT由于工作電流增大會(huì )直接影響其可靠性。在高頻變流器中，IGBT一般工作在開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，充當高頻的開(kāi)關(guān)器件，因此處在開(kāi)、關(guān)狀態(tài)的IGBT一般有兩種狀態(tài)：關(guān)斷(或稱(chēng)為截止)和導通(即飽和導通)。處在導通狀態(tài)的IGBT的飽和壓降很小，因此，IGBT本身的導通損耗就會(huì )很小。但是，當IGBT發(fā)生過(guò)流時(shí)，如果沒(méi)能及時(shí)處理，IGBT的電流持續上升，一般的IGBT的工作電流大概為額定電流的3到4倍時(shí)，會(huì )發(fā)生退飽和的現象，即IGBT會(huì )退出飽和導通區，進(jìn)入放大即線(xiàn)性區。在線(xiàn)性區內，IGBT的VCE電壓較高，而且工作電流又很大，IGBT的瞬時(shí)功率將會(huì )較大。對IGBT來(lái)說(shuō)，超過(guò)其安全工作區，有過(guò)功率損壞的風(fēng)險。

　　為此，在變流器發(fā)生過(guò)流時(shí)，為保證IGBT的安全，需要及時(shí)關(guān)斷。然而，IGBT在過(guò)流時(shí)關(guān)斷過(guò)快，也就意味著(zhù)電流變化率較大，這樣，按照IGBT電壓應力抑制的分析，其關(guān)斷時(shí)會(huì )有較大的電壓尖峰，對IGBT造成威脅，因此，在關(guān)斷IGBT時(shí)可采用有源鉗位或者軟關(guān)斷的方法抑制電壓應力。綜合以上分析，在IGBT發(fā)生過(guò)流時(shí)，必須將其安全可靠地關(guān)斷。

　　(2)IGBT短路保護

　　變流器在工作時(shí)由于負載側故障而引起短路，輸出電流會(huì )急劇上升，導致IGBT的工作電流也會(huì )對應急劇上升。一般地，對IGBT而言，短路分為兩種情況：第一，變流器的橋臂內發(fā)生直通，回流路徑很小，其等效負載也非常小，近似為零，一般稱(chēng)為一類(lèi)短路。第二，變流器短路點(diǎn)發(fā)生在負載側，等效短路阻抗較大，稱(chēng)為二類(lèi)短路。二類(lèi)短路一般也可認為是變流器較嚴重的過(guò)流發(fā)生。在短路發(fā)生時(shí)刻，如果不采取相關(guān)措施，就會(huì )導致IGBT快速進(jìn)入退飽和，如IGBT過(guò)流保護分析，其瞬態(tài)功耗超過(guò)限值而損壞。因此，當短路發(fā)生時(shí)，要盡快關(guān)斷IGBT，而且關(guān)斷的速度要平緩，保證電流變化速率在一定范圍，避免關(guān)斷過(guò)快而引起電壓應力超過(guò)限值而損壞IGBT。

　　當一類(lèi)短路發(fā)生時(shí)，流過(guò)IGBT的工作電流上升非?？?，在很短時(shí)間內達到退飽和電流。如果在此刻將IGBT關(guān)斷，電壓尖峰將非常大，很有可能超過(guò)限值。為此，在一類(lèi)短路發(fā)生時(shí)，將IGBT緩慢、可靠關(guān)斷非常重要。為了使得驅動(dòng)電路在盡可能短的時(shí)間內響應電流變化，在有源鉗位的方案中增加快速響應措施，使得IGBT驅動(dòng)能夠盡快動(dòng)作。具體措施如圖5所示，在TVS管上并聯(lián)陶瓷電容，該電容高頻特性較好，能夠響應高頻的電流變化，當IGBT的集電極電壓發(fā)生快速變化時(shí)，該電容可以通過(guò)電流信號將變化及時(shí)地反饋給IGBT柵極，這樣，柵極由于此電流的注入而從即將關(guān)斷的狀態(tài)進(jìn)入再次開(kāi)通的狀態(tài)，對IGBT本身來(lái)說(shuō)，其電流的變化率就不至過(guò)快，確保其較小的關(guān)斷電壓尖峰。IZC可通過(guò)以下公式計算得到。對于一類(lèi)的橋臂直通的短路和二類(lèi)的較大負載的短路，除采用高級有源鉗位的方法外，也可采用軟關(guān)斷的方法處理，二者的區別在于，軟關(guān)斷的瞬時(shí)功耗較大，對變流器本身來(lái)講，如果長(cháng)時(shí)間的處于短路狀態(tài)，效率會(huì )有所降低，與此同時(shí)，IGBT會(huì )有熱應力的風(fēng)險。

(2)

5 試驗結果

　　針對1200V/2500A的IGBT，進(jìn)行雙脈沖試驗，對設計的IGBT驅動(dòng)電路基本的驅動(dòng)能力、柵極保護、電壓應力抑制的有源鉗位、軟關(guān)斷等功能及性能表現進(jìn)行實(shí)驗驗證。

　　試驗平臺按照圖6所示搭建，IGBT模塊為半橋結構，其中上管C、E間連接電感L來(lái)模擬負載，同時(shí)保證上管在試驗中處在關(guān)斷的狀態(tài)。給下管G、E間輸入圖中所示的驅動(dòng)信號，即設置兩次開(kāi)通，且開(kāi)通與關(guān)斷的時(shí)間T1、T2、T3可控。通過(guò)該雙脈沖試驗，可以有效驗證驅動(dòng)電路在變流器換流時(shí)的功能與性能。圖7與圖8為實(shí)驗測試波形，兩圖中通道1均為下管門(mén)極與發(fā)射極電壓VGE;通道2均為下管集電極與發(fā)射極電壓VCE;通道3均為集電極電流IC。圖7中可以看到當達到VCE門(mén)限值時(shí)，VGE電壓上升，延緩了IGBT的關(guān)斷速度;如圖8所示，當檢測到較大VCE電壓尖峰時(shí)，VGE電壓緩慢降低，IGBT緩慢關(guān)斷，從而抑制了電壓應力。

6 結論

　　對于中、大功率變流器的核心開(kāi)關(guān)器件IGBT，其驅動(dòng)電路不僅僅要保證正常的驅動(dòng)能力，還要有相關(guān)的保護措施，從而在極端工況下保證IGBT的安全、可靠。

　　本文從IGBT驅動(dòng)的基本參數設計、柵極保護、電壓應力抑制及過(guò)流與短路等方面入手，提出了有效的解決方案，并通過(guò)相關(guān)理論及具體的電路解決措施，驗證方案的科學(xué)性與可行性。

參考文獻：

　　[1]柳舟洲,同向前.大功率IGBT短路保護機理的分析[J].電氣傳動(dòng),2015(03).

　　[2]姚文海,程善美,孫得金.大功率IGBT模塊軟關(guān)斷短路保護策略[J].電氣傳動(dòng),2014(09).

　　[3]尹培培,洪峰,王成華,曹沐昀.無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)雙降壓式全橋逆變器[J].電工技術(shù)學(xué)報,2014(06).

　　[4]唐勇,汪波,陳明,劉賓禮.高溫下的IGBT可靠性與在線(xiàn)評估[J].電工技術(shù)學(xué)報,2014(06).

　　[5]張云,徐衍亮,李豹.基于動(dòng)態(tài)電源的MOSFET驅動(dòng)優(yōu)化[J].電工技術(shù)學(xué)報,2013(12).

　　[6]張云徐,衍亮,李豹.基于動(dòng)態(tài)電源的麗MOSFET驅動(dòng)優(yōu)化[J].電工技術(shù)學(xué)報,2013,28(12):269-275.

　　[7]寧大龍,同向前,胡勛.IGBT器件的門(mén)極驅動(dòng)模型及應用[J].電力電子技術(shù),2012(12).

　　[8]雷明,程善美,于孟春,姚文海.基于變門(mén)極電阻的IGBT軟關(guān)斷實(shí)現[J].電力電子技術(shù),2012(12).

　　[9]歐陽(yáng)柳,李華,楊光,楊濤.風(fēng)力發(fā)電變流器的IGBT關(guān)斷過(guò)電壓抑制研究[J],大功率變流技術(shù).2012(02).

　　[10]陳永真.IGBT短路保護的控制策略分析[J].電氣傳動(dòng),2010(08).

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第68頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。