張亞蘇

（陜西航空電氣有限責(zé)任公司47所，陜西 興平 713107）

1 引言

IGB T的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓控制的。柵極施以正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)，從P+區(qū)注入到N一區(qū)的空穴對(duì)N一區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一區(qū)的電阻RN，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上施以負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即為關(guān)斷。

2 IGBT的驅(qū)動(dòng)

2.1 IGBT驅(qū)動(dòng)的條件

IGBT是復(fù)合了功率場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)今應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是IGBT良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上的不合理，制約著IGBT的推廣及應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)一種可靠、穩(wěn)定的IGBT驅(qū)動(dòng)電路非常關(guān)鍵。

IGB的柵極驅(qū)動(dòng)條件密切地關(guān)系到它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。柵極電路的正偏壓Uge、負(fù)偏壓-Ug。和柵極電阻R:的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中柵極正電壓Ug。的變化對(duì)IGB T的開(kāi)通特性，負(fù)載短路能力和dUge/dt電流有較大的影響，而柵極負(fù)偏壓對(duì)關(guān)斷特性的影響較大。同時(shí)，柵極電路設(shè)計(jì)中也必須注意開(kāi)通特性，負(fù)載短路能力和由dUge/dt電流引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題。

根據(jù)上述分析，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路提出以下要求和條件:1)由于是容性輸出輸出阻抗;因此IGBT對(duì)柵極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電，以保證門(mén)及控制電壓Ug。有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開(kāi)通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。3)柵極電路中的正偏壓應(yīng)為+12到+15V;負(fù)偏壓應(yīng)為-2V-1OV。4)IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻R:對(duì)工作性能有較大的影響，R:較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗;Rg較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT誤導(dǎo)通或損壞。R:的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān)，一般在幾歐到幾十歐，小容量的IGBT其R值較大。5)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT的自保護(hù)功能。IGBT的控制動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的GE極之間不能為開(kāi)路。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路分類(lèi)

驅(qū)動(dòng)電路分為：分立插腳式兀件的驅(qū)動(dòng)電路，光耦驅(qū)動(dòng)電路，厚膜驅(qū)動(dòng)電路，專(zhuān)用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能:一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。

2.3 IGBT開(kāi)關(guān)損耗與柵極驅(qū)動(dòng)的關(guān)系

對(duì)整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中IGBT的電壓、電流進(jìn)行積分就可以算出IGBT的開(kāi)關(guān)損耗。因此開(kāi)關(guān)損耗可以由下面的等式給出:

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

由前面的分析可知，增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電壓、減小柵極電阻可以加快對(duì)柵一射極電容充電的速率，從而加快IGBT開(kāi)通過(guò)程，顯著降低開(kāi)通損耗。以下表格給出了不同柵極電阻、不同驅(qū)動(dòng)電壓下的開(kāi)通損耗。

IGBT的保護(hù)

在電力電子設(shè)備中，應(yīng)用IGBT時(shí)，對(duì)IGBT的自身保護(hù)措施通常有以下幾種:通過(guò)電流信號(hào)的檢測(cè)來(lái)切斷柵極控制信號(hào);利用緩沖電路抑制過(guò)電壓，并限制過(guò)量得du/dt及利用溫度傳感器檢測(cè)殼溫控制主電路跳閘，以實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)。

3 過(guò)電流保護(hù)

IGB T的過(guò)流保護(hù)電路可分為2類(lèi):一類(lèi)是低倍數(shù)的(1.2到1.5倍)的過(guò)載保護(hù);一類(lèi)是高倍數(shù)(可達(dá)8～10倍)的短路保護(hù)。對(duì)于過(guò)載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測(cè)輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過(guò)設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過(guò)載電流保護(hù)，一旦動(dòng)作后，要通過(guò)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。

IGBT能承受很短時(shí)間的短路電流，能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時(shí)間小于5 μs，飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時(shí)間可達(dá)15μs到5V時(shí)可達(dá)30μs以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時(shí)間迅速減小。通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降低柵極電壓2種。軟關(guān)斷指在過(guò)流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗干擾能力差，一旦檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護(hù)電路的抗干擾能力，可在故障信號(hào)與驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路之間加一延時(shí)，不過(guò)故障電流會(huì)在這個(gè)延時(shí)內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護(hù)電路啟動(dòng)時(shí)，器件已經(jīng)壞了。所以，控制好故障保護(hù)時(shí)間至關(guān)重要。

4 過(guò)電壓保護(hù)

關(guān)斷IGB T時(shí)，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù)kA/us。極高的電流下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過(guò)電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)將會(huì)使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)}fu損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希一望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對(duì)于IGBT的開(kāi)通來(lái)說(shuō)，集電極電路的電感有利十抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開(kāi)通損耗，承受較高的開(kāi)通電流上升率。一般情況下IGBT開(kāi)關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開(kāi)通損耗可以通過(guò)改善柵極驅(qū)動(dòng)條件來(lái)加以控制。

為了使IGBT關(guān)斷過(guò)電壓能得到有效的抑制并減小關(guān)斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路 IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型（如圖）。

充放電型有RC吸收和RCD吸收2種。

下圖是三種放電阻止型吸收電路，放電阻止型緩沖電路中吸收電容CS的放電電壓為電源電壓，每次關(guān)斷前，CS僅將上次關(guān)斷電壓的過(guò)沖部分能量回饋到電源，減小了吸收電路的功耗。因電容電壓在IGB T關(guān)斷時(shí)從電源電壓開(kāi)始上升，它的過(guò)電壓吸收能力不如RCD型充放電型。

5 小結(jié)

綜上所述，可以得出從吸收過(guò)電壓的能力來(lái)說(shuō)，放電阻止型吸收效果稍差，但能量損耗較小。對(duì)緩沖吸收電路的要求是:

5.1 盡量減小主電路的布線電感；

5.2 吸收電容應(yīng)采用低感吸收電容，一引線應(yīng)盡量短，最好直接接在IGBT的端子上；

5.3 吸收二極管應(yīng)選用快開(kāi)通和快軟恢復(fù)二極管，以免產(chǎn)生開(kāi)通過(guò)電壓和反向恢復(fù)引起較大的振蕩過(guò)電壓。

[1]鄭建勇等.基于新型混合式斷路器的IGBT緩沖電路研究，電力自動(dòng)化設(shè)備，2006年

[2]趙春林，電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)，電子機(jī)械工程，2002年