IGBT栅极驱动和保护优化

1.IGBT的栅极驱动

驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，它使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的具体形式可以是分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路，包括双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。

驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。磁隔离的元件通常是脉冲变压器，在驱动晶闸管一类器件时用得较多。光隔离一般采用光耦合器，如IGBT一类的全控型器件较多采用。

图3-71表示了几种光耦合器的类型及接法。图3-71a所示为普通型光耦合器，其输出特性和晶体管相似，只是其电流传输比I_C／I_D比晶体管的β小得多，大约只有0.1～0.3，响应时间在10μs左右。输入级的发光二极管导通发光，通过内光路（外面看不到）照射到输出级的光敏晶体管，使其导通，R为限流电阻，前后级之间没有电的联系。图3-71b所示为高速型光耦合器，它利用了反偏PN结减少载流子存储效应，光敏二极管流过的是反向电流，其响应时间小于1.5μs。图3-71c是利用复合型达林顿结构提高β值的高传输比型光耦合器。

图3-71 光耦合器的类型及接法

a）普通型 b）高速型 c）高传输比型

IGBT的栅极驱动条件密切关系它的静态和动态特性。表3-3表示了IGBT的栅极驱动条件与器件特性之间的关系。随着正偏电压U_GE的增加，通态压降U_CE下降，这一趋势也表示在图3-72中。由图3-72b还可看出U_CE随电流I_C的增加而增大。对于I_C＝50A的IGBT，选U_GE＝15V较合理，这一点U_CE接近饱和值，是最佳工作点。图3-73表示开通损耗与正偏压的关系，随着U_GE增加，每脉冲开通能耗E_on下降。虽然增加U_GE对于减小U_CE、E_on、开通时间t_on有利，但也不能随意增加，因为其对负载短路能力、dU_CE／dt引起的位移电流有不利影响。

表3-3 IGBT的栅极驱动条件与器件特性之间的关系

图3-72 正偏电压U_GE的影响

a）栅极驱动电路 b）通态电压与正偏压的关系

负偏电压是很重要的栅极驱动条件，直接影响IGBT的可靠运行。图3-74表示了漏极浪涌电流与-U_GE的关系。如图3-74a所示试验电路，V₂关断时，很高的dU_CE／dt会产生一个较大的集电极浪涌电流，可能引起IGBT动态擎住。为避免发生这种误触发，在栅极加负偏压。栅极负偏压对关断损耗E_off、关断时间t_off等关断特性影响不大。关断损耗与负偏压的关系表示在图3-75中。

图3-73 开通损耗与正偏压的关系

图3-74 负偏电压-U_GE的影响

a）试验电路 b）负偏压与浪涌电流的关系

E_on、E_off、di_C／dt与栅极电阻R_G的关系分别表示在图3-76和图3-77中，可见增加R_G对减小di_C／dt是有利的，不过会增加E_on、E_off。为使IGBT可靠工作，R_G的选择原则是：在开关损耗不太大的情况下，应选择较大的R_G。

总的说来，对IGBT的驱动电路有如下要求和条件：

1）由于是容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷积聚很敏感，驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。

2）用低内阻的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压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不致退出饱和而损坏。

图3-75 关断损耗与负偏压的关系

图3-76 E_on、E_off与R_G的关系

图3-77 di_C／dt与R_G的关系

3）栅极电路中的正偏压应为12～15V；负偏压应为-10～-2V。

4）栅极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。

5）若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制di／dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。(www.xing528.com)

2.IGBT的保护

一方面，由于IGBT器件昂贵，另一方面，电力电子系统故障率比弱电系统高、危害大，所以保护必不可少。将IGBT用于电力变换时，为了保证其安全运行，防止异常现象造成器件损坏，必须采取完备的保护措施，常用的有：

1）通过检出的过电流信号切断栅极信号，实现过电流保护。

2）利用缓冲电路抑制过电压，并限制过高的du／dt。

3）利用温度传感器检测IGBT的外壳温度，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。

图3-78 变频装置中的短路模式

a）直通短路 b）桥臂短路 c）输出短路 d）接地

图3-78列出了变频装置中的短路模式。图3-78a所示为直通短路，产生原因是桥臂中某一个器件损坏或反并联二极管损坏；图3-78b所示为桥臂短路，产生原因是控制电路、驱动电路的故障，或干扰噪声引起的误动作，造成一个桥臂中的两个IGBT同时开通；图3-78c和d所示分别为输出短路和接地的情况，产生原因是配线等人为的错误或负载的绝缘损坏。

图3-79所示为一具有过电流限制功能的IGBT的等效电路，实际中该过电流保护电路与IGBT器件集成在同一方片上。通过从IGBT发射极引出一微小电流流过R_S，在R_S上产生一电压，当R_S中电流超过一定值，MOSFET的栅压超过阈值电压而开通，IGBT的G和E之间电压被钳制在一定值，过电流瞬间受限。

IGBT关断时，由于主回路的电流急剧下降，主回路存在的等效电感将引起高电压，称为开关浪涌电压。这种开关浪涌电压如果超过IGBT的RBSOA区域，就会使IGBT损坏。图3-80为IGBT感性负载关断时的波形示意图。IGBT过电压保护即吸收过电压的方式有：在IGBT上加吸收回路以吸收浪涌电压；调整驱动电路的栅电阻或反偏电压以减小开关时的di／dt；将电源容量尽可能置于IGBT最近处，以降低配线电感；缩短连线，宜用铜材等。

图3-79 具有过电流限制功能的IGBT的等效电路

图3-80 IGBT感性负载关断时的波形示意图

图3-81 几种IGBT的过电压吸收回路

a）小容量IGBT（约50A） b）中容量IGBT（约200A） c）大容量IGBT（约300A）

抑制浪涌电压最有效的措施是采用缓冲电路，也称为吸收回路，它既可以限制关断电压上升率，又可以减少IGBT的关断损耗。图3-81所示为几种IGBT的过电压吸收回路。图3-81a只在直流端子间接一个小电容，利用电容电压不能突变的特点吸收过电压，它的特点是电路简单，不过吸收损耗小，主要用于小容量IGBT（约50A）。由于主回路电感和缓冲器电容间形成了LC回路，容易使电压波动，所以应选择无感电容。图3-81b为RCD吸收回路，可用于中容量IGBT（约200A），要求用无感电阻、高压无感电容、快恢复高压二极管。图3-81c则可用于大容量IGBT（约300A）。此外，缩短连线以减小配线电感同样是重要的，计算表明每1cm的连线可引入约5nH的电感。

3.IGBT专用驱动模块

大多数IGBT生产厂家为了解决IGBT的可靠性问题，都生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士公司的EXB系列、日本三菱公司的M系列、日本东芝公司的TK系列、美国摩托罗拉公司的MPD系列等。这些专用驱动电路抗干扰能力强、集成化程度高、速度快、保护功能完善，可实现IGBT的最优驱动。

图3-82所示为三菱公司的M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图。为使IGBT能够稳定工作，一般驱动电路采用正负偏压双电源的工作方式。这里采用了高速型光耦合器。1脚经高压快恢复二极管检测主开关管的集电极电位，一旦电流过大，反应最快的是集电极电位的升高（通态压降增大）。5脚输出驱动电压信号给IGBT栅极，电源一般为15V和10V，两个100μF电容都是属于电源的，4、6管脚作用其上。当5脚输出高电平、1脚输出低电平时，IGBT正常导通；当5脚输出高电平、1脚也输出高电平时，表示IGBT发生过电流，此时形成逻辑错误。8脚是故障指示，过电流发生时8脚置低电平，发光二极管导通，发出故障指示的同时停止5脚输出。光敏晶体管的输出还可接到微机或数字电路上去，内部切断维持10ms左右，其中几毫秒的时间供给微机切断外部信号（13脚输入的控制信号）。1脚配接的30V稳压管具有防止高压串入、保护驱动片的作用。在栅射极之间的两只反向串联稳压管起双向钳位保护作用。

图3-82 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图

a）原理图 b）接线图

图3-83所示为富士公司的EXB841型IGBT驱动电路原理图，它的最高工作频率可达40～50kHz，只需外部提供一个20V单电源。整个电路可分为三大部分：光耦合器、VT₂、VT₄、VT₅、R₁、C₁、R₂、R₉共同组成放大部分，其中光耦合器起到隔离作用，VT₂为中间放大级，VT₄和VT₅形成互补式推挽输出；VT₁、VT₃、稳压管VS₁、电阻R₃～R₈、电容C₂～C₄共同组成过电流保护部分，实现过电流检测和延时保护功能；稳压管VS₂、R₁₀、C₅组成5V基准电源部分，为驱动IGBT提供-5V反偏压，同时为光耦提供二次电源。

图3-83 EXB841型IGBT驱动电路原理图

14、15脚有电流流过时，光耦合器导通，A点电位下降至0V，VT₁、VT₂截止；VT₂截止使B点电位上升至20V，VT₄导通，VT₅截止，通过VT₄及栅极电阻R_G向IGBT提供电流，IGBT导通。

14、15脚无电流流过时，光耦合器不通，A点电位上升使VT₁、VT₂导通；VT₂导通使VT₅导通、VT₄截止，IGBT栅极电荷通过VT₅迅速放电，3脚电位下降至0V，比1脚电位低5V，IGBT可靠关断。

IGBT正常导通时，C、F点的电位不会使稳压管VS₁击穿，VT₃不导通，E点电位保持为20V，VD₁截止。发生短路时，IGBT承受大电流而退饱和，集电极电位上升，VD₂截止，6脚“悬空”，C、F点电位开始上升，达到一定程度VS₁击穿，VT₃导通，C₄通过R₇、VT₃放电，E点电位逐步下降，从而3脚电位下降，慢慢关断IGBT。