IGBT的驱动和保护技术探析

2010-11-16张亚苏

中国新技术新产品 2010年7期

张亚苏

（陕西航空电气有限责任公司47所，陕西兴平 713107）

1 引言

IGB T的开通和关断是由栅极电压控制的。栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，从P+区注入到N一区的空穴对N一区进行电导调制，减小N一区的电阻RN，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。

2 IGBT的驱动

2.1 IGBT驱动的条件

IGBT是复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好驱动电路简单、通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此现今应用相当广泛。但是IGBT良好特性的发挥往往因其栅极驱动电路设计上的不合理，制约着IGBT的推广及应用。因此，设计一种可靠、稳定的IGBT驱动电路非常关键。

IGB的栅极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性。栅极电路的正偏压Uge、负偏压-Ug。和栅极电阻R:的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。其中栅极正电压Ug。的变化对IGB T的开通特性，负载短路能力和dUge/dt电流有较大的影响，而栅极负偏压对关断特性的影响较大。同时，栅极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由dUge/dt电流引起的误触发等问题。

根据上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件:1)由于是容性输出输出阻抗;因此IGBT对栅极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。2)用低内阻的驱动源对栅极电容充放电，以保证门及控制电压Ug。有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。3)栅极电路中的正偏压应为+12到+15V;负偏压应为-2V-1OV。4)IGBT驱动电路中的电阻R:对工作性能有较大的影响，R:较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗;Rg较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。R:的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧到几十欧，小容量的IGBT其R值较大。5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的自保护功能。IGBT的控制动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的GE极之间不能为开路。

2.2 驱动电路分类

驱动电路分为：分立插脚式兀件的驱动电路，光耦驱动电路，厚膜驱动电路，专用集成块驱动电路。

IGBT的驱动电路必须具备2个功能:一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离;二是提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。

2.3 IGBT开关损耗与栅极驱动的关系

对整个开关过程中IGBT的电压、电流进行积分就可以算出IGBT的开关损耗。因此开关损耗可以由下面的等式给出:

E(switch)=V(t)I(t)dt

由前面的分析可知，增加栅极驱动电压、减小栅极电阻可以加快对栅一射极电容充电的速率，从而加快IGBT开通过程，显著降低开通损耗。以下表格给出了不同栅极电阻、不同驱动电压下的开通损耗。

IGBT的保护

在电力电子设备中，应用IGBT时，对IGBT的自身保护措施通常有以下几种:通过电流信号的检测来切断栅极控制信号;利用缓冲电路抑制过电压，并限制过量得du/dt及利用温度传感器检测壳温控制主电路跳闸，以实现热保护。

3 过电流保护

IGB T的过流保护电路可分为2类:一类是低倍数的(1.2到1.5倍)的过载保护;一类是高倍数(可达8～10倍)的短路保护。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。

IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5 μs，饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs到5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。通常采取的保护措施有软关断和降低栅极电压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗干扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗干扰能力，可在故障信号与驱动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动时，器件已经坏了。所以，控制好故障保护时间至关重要。

4 过电压保护

关断IGB T时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/us。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区}fu损坏。所以从关断的角度考虑，希一望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利十抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。

为了使IGBT关断过电压能得到有效的抑制并减小关断损耗，通常都需要给IGBT主电路设置关断缓冲吸收电路 IGBT的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻止型（如图）。

充放电型有RC吸收和RCD吸收2种。

下图是三种放电阻止型吸收电路，放电阻止型缓冲电路中吸收电容CS的放电电压为电源电压，每次关断前，CS仅将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源，减小了吸收电路的功耗。因电容电压在IGB T关断时从电源电压开始上升，它的过电压吸收能力不如RCD型充放电型。