對IGBT驅動(dòng)的理解

　　IGBT器件如何開(kāi)通和關(guān)閉，速度是快是慢，其實(shí)到如今為止，并沒(méi)有一個(gè)明確結論，最終取決實(shí)際應用環(huán)境。

　　一、先說(shuō)開(kāi)通。

　　誰(shuí)都知道，理論上開(kāi)通速度越快，越早進(jìn)入飽和去，開(kāi)關(guān)損耗越小。收到實(shí)際條件所限，開(kāi)通速度不能做的太快。

　　1、柵極雜散電感影響

　　此電感普遍存在，特別是使用磁耦合的驅動(dòng)電路尤其明顯。它與柵極電容產(chǎn)生諧振，增加Rg，可以緩解此現象。無(wú)論是Lgs，還是Rg，都會(huì )影響開(kāi)通速度，增加開(kāi)關(guān)損耗。圖1。

　　圖1 IGBT柵極驅動(dòng)

　　2、實(shí)際電路影響

　　使用合理電路，降低Lgs影響，將Rg選擇的很小，是否就解決了問(wèn)題了呢？還沒(méi)有，如圖2，應用于雙管正激的拓撲。

　　圖2 應用于雙管正激的IGBT

　　由于變壓器漏感Lts、磁復位引線(xiàn)電感Lds的存在，過(guò)高的di/dt，將造成過(guò)高的Vce（與Cce產(chǎn)生振蕩）。這些電感是很難預測的，為了提高性能，從布線(xiàn)上都是不斷降低它們。能量的降低使得Vce收到限制。如果不能完全解決此問(wèn)題，需要增加吸收。如圖3吸收的一種。額外增加的電路需要靠近IGBT根部，否則有害無(wú)用。吸收的增加增加了損耗，它是否可以抵消由于開(kāi)通速度的加快造成的影響，需要實(shí)際驗證。

　　圖3 RCD吸收

　?。▎危╇p管正激是硬開(kāi)關(guān)拓撲中，開(kāi)通速度最快的一種，對應其它拓撲，比如橋式，情況更加糟糕。對于軟開(kāi)關(guān)，尤其是電壓軟開(kāi)關(guān)，增加開(kāi)通速度是很好的選擇。

　　二、再說(shuō)關(guān)閉。

　　關(guān)閉速度快慢對IGBT關(guān)閉損耗影響不大。

　　有人說(shuō)，快速關(guān)閉使dv/dt高，會(huì )毀壞IGBT。那看什么條件，只有很高dv/dt，IGBT開(kāi)關(guān)速度跟不上時(shí)成立。小了只是負反饋作用，增加驅動(dòng)上流過(guò)的電流而已。由于IGBT、母線(xiàn)上往往有吸收，速度受限。不易產(chǎn)生高dv/dt。真有這么高的dv/dt時(shí)，只要驅動(dòng)電路輸出阻抗足夠低，并不會(huì )毀壞柵極。

　　再有，筆者十幾年從沒(méi)有見(jiàn)過(guò)由于dv/dt過(guò)高造成IGBT失效現象，此種只在理論上成立的假設不要再考慮了。

　　真實(shí)原因是：由于IGBT是少子器件，他不能通過(guò)關(guān)閉門(mén)極來(lái)達到快速關(guān)閉IGBT目的。因此快速關(guān)閉對它無(wú)用。

　　三、說(shuō)一說(shuō)驅動(dòng)負偏壓

　　只要控制制好母線(xiàn)電壓瞬態(tài)過(guò)沖，IGBT負偏壓不是必須。選擇合理的功率拓撲，比如零流諧振變換器，可以最大限度降低對母線(xiàn)影響。

　　與MOSFET一樣，負偏壓可以防止母線(xiàn)過(guò)高dv/dt造成門(mén)極誤導通。筆者說(shuō)過(guò)本人十幾年從沒(méi)有見(jiàn)過(guò)由于dv/dt過(guò)高造成IGBT失效，主要是指對門(mén)極影響。

　　門(mén)極驅動(dòng)往往是低阻抗負載，尤其是有源驅動(dòng)器，阻抗很低，抗干擾能力很強。負偏壓選擇-5V足以，當然選擇-15V未嘗不可。更高負偏壓會(huì )增加驅動(dòng)損耗。

　　四、再論過(guò)流保護

　　1、高頻變換（不直接接負載）

　　在設計電路過(guò)程中，在IGBT選擇上，幾乎都會(huì )在電流上留有余量，而保護點(diǎn)也往往低于IGBT的額定值。所謂3段式保護只在大于2倍額定電流作用較好。在2倍額定電流保護內最好是直接關(guān)閉。不僅反映速度快，而且可以逐個(gè)脈沖限流。真要是用它的保護，不僅延時(shí)時(shí)間長(cháng)，而且由于關(guān)閉損耗大，連續工作要不了多久不壞才怪。

　　市面上幾乎所有的IGBT驅動(dòng)器都大肆宣揚所謂3段式保護，可惜在實(shí)際應用中，除非你是作為負載開(kāi)關(guān)使用，此功能基本無(wú)用。即便是作為負載開(kāi)關(guān)，如果沒(méi)有一定條件限制，保護功能也形同虛設。

　　因此，除非你設計有缺陷，否則，3段式保護無(wú)用。

　　2、負載開(kāi)關(guān)

　　IGBT作為負載開(kāi)關(guān)使用時(shí)，過(guò)流保護復雜得多。IGBT輸出電流取決于門(mén)極驅動(dòng)電壓。3段式保護只在大于2倍額定電流作用較好。門(mén)極驅動(dòng)電壓太高時(shí)，使得短路電流過(guò)大，由于存在閂鎖現象，柵極關(guān)閉不起作用。因此驅動(dòng)電壓不要太高，不要過(guò)度追求導通壓降。使得3段式過(guò)流保護不起作用。一般閂鎖現象在輸出電流大于5倍額定電流時(shí)有可能出現，因此如果想可靠使用3段式過(guò)流保護，電流保護點(diǎn)最好小于此點(diǎn)。

　　但確定柵極電壓與短路電流的關(guān)系幾乎是不可能的。作為負載開(kāi)關(guān)，限制電流上升率是一個(gè)非常好的措施，它同時(shí)限制了短路時(shí)間。使短路保護可以有多種選擇，除了3段式保護（本質(zhì)上是緩關(guān)閉），直接快速關(guān)閉也可行。

　　在電流小于2倍額定電流時(shí)，采用直接快速關(guān)閉的方法更有效。假設400V，100A負載開(kāi)關(guān)，選擇300A的IGBT作為負載開(kāi)關(guān)，1uH電感作為電流上升率限制。則：di/dt=400A/us。

　　設100A為保護點(diǎn)，電流小于2倍額定電流，則：允許關(guān)閉最大延時(shí)（2*300-100）/400=1.25us。此條件不難滿(mǎn)足。

　　即：為滿(mǎn)足快速關(guān)斷條件，IGBT容量選擇要足夠大，這樣換來(lái)更大的保護延時(shí)，更小的短路抑制電感。換句話(huà)說(shuō)，如果將保護延時(shí)設計的很小，也可以降低短路抑制電感，降低IGBT容量。從而提高可靠性。還是上例，如果保護延時(shí)達到200ns則：實(shí)際電流關(guān)閉點(diǎn)：100+400*0.2=180A。如果不考慮導通損耗，采用100A的IGBT也可以滿(mǎn)足使用要求。

　　直接快速關(guān)閉沒(méi)有大量應用的原因主要是因為驅動(dòng)器的反應速度不夠快。兼顧反應速度和驅動(dòng)能力的驅動(dòng)器市場(chǎng)上極少。JD10系列可以在100ns內關(guān)閉300A的IGBT，而關(guān)閉腳反映時(shí)間只有50ns，即便是在隔離驅動(dòng)的前級關(guān)閉，也只有100ns延時(shí)。