詳解IGBT模塊驅動(dòng)以及相應保護技術(shù)

本文將對IGBT柵極驅動(dòng)特性、柵極串聯(lián)電阻及其驅動(dòng)電路進(jìn)行了探討。提出了慢降柵壓過(guò)流保護和過(guò)電壓吸收的有效方法。

引言

IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復合器件。它既有MOSFET易驅動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。

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(guò)，基本上不消耗功率。但IGBT的柵極-發(fā)射極間存在著(zhù)較大的寄生電容(幾千至上萬(wàn)pF)，在驅動(dòng)脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數A的充放電電流，才能滿(mǎn)足開(kāi)通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得它的驅動(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合器件，存在著(zhù)過(guò)流時(shí)可能發(fā)生鎖定現象而造成損壞的問(wèn)題。在過(guò)流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過(guò)高的電流變化率會(huì )引起過(guò)電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好IGBT的驅動(dòng)和保護特性是十分必要的。

柵極特性

IGBT 的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達到20~30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見(jiàn)原因之一。在應用中有時(shí)雖然保證了柵極驅動(dòng)電壓沒(méi)有超過(guò)柵極最大額定電壓，但柵極連線(xiàn)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(xiàn)來(lái)傳送驅動(dòng)信號，以減小寄生電感。在柵極連線(xiàn)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(zhù)分布電容Cge和Cgc，以及發(fā)射極驅動(dòng)電路中存在有分布電感Le，這些分布參數的影響，使得IGBT的實(shí)際驅動(dòng)波形與理想驅動(dòng)波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開(kāi)通和關(guān)斷的因素。這可以用帶續流二極管的電感負載電路(見(jiàn)圖1)得到驗證。

在t0時(shí)刻，柵極驅動(dòng)電壓開(kāi)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)刻達到IGBT的柵極門(mén)檻值，集電極電流開(kāi)始上升。從此時(shí)開(kāi)始有2個(gè)原因導致uge波形偏離原有的軌跡。

首先，發(fā)射極電路中的分布電感Le上的感應電壓隨著(zhù)集電極電流ic的增加而加大，從而削弱了柵極驅動(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(cháng)。

其次，另一個(gè)影響柵極驅動(dòng)電路電壓的因素是柵極-集電極電容Cgc的密勒效應。t2 時(shí)刻，集電極電流達到最大值，進(jìn)而柵極-集電極間電容Cgc開(kāi)始放電，在驅動(dòng)電路中增加了Cgc的容性電流，使得在驅動(dòng)電路內阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅動(dòng)電壓。顯然，柵極驅動(dòng)電路的阻抗越低，這種效應越弱，此效應一直維持到t3時(shí)刻，uce降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT的開(kāi)通過(guò)程。在 t3時(shí)刻后，ic達到穩態(tài)值，影響柵極電壓uge的因素消失后，uge以較快的上升率達到最大值。

(a)等 效 電 路 (b)開(kāi) 通 波 形

圖1 IGBT開(kāi)關(guān)等效電路和開(kāi)通波形

由圖1波形可看出，由于Le和Cgc的存在，在IGBT的實(shí)際運行中uge的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅動(dòng)電壓上升的效應，表現為對集電極電流上升及開(kāi)通過(guò)程的阻礙。為了減緩此效應，應使IGBT模塊的Le和Cgc及柵極驅動(dòng)電路的內阻盡量小，以獲得較快的開(kāi)通速度。

圖 2IGBT關(guān) 斷 時(shí) 的 波 形

IGBT 關(guān)斷時(shí)的波形如圖2所示。t0時(shí)刻柵極驅動(dòng)電壓開(kāi)始下降，在t1時(shí)刻達到剛能維持集電極正常工作電流的水平，IGBT進(jìn)入線(xiàn)性工作區，uce開(kāi)始上升，此時(shí)，柵極-集電極間電容Cgc的密勒效應支配著(zhù)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(kāi)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)斷結束。

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

在實(shí)際應用中，IGBT的uge幅值也影響著(zhù)飽和導通壓降：uge增加，飽和導通電壓將減小。由于飽和導通電壓是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(guò)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)射極加一定的負偏壓有利于提高IGBT的抗騷擾能力，通常取5~10V。

柵