劉海紅，楊 媛，劉海鋒

（1. 陜西省電子信息產品監(jiān)督檢驗院 陜西 西安710004；2.西安理工大學 陜西 西安710048 ）

功率半導體器件自上世紀70 年代問世以來，經過40 余年的發(fā)展，已經有了長足的發(fā)展[1]。 IGBT 集成了高電壓大電流晶閘管制造技術和大規(guī)模集成電路微細加工技術，表現出很好的綜合性能，其在大功率領域表現出強大的生命力。 與其他電力電子器件相比，IGBT 具有高可靠性、 驅動簡單、保護容易、開關頻率高、電壓型驅動、驅動功率小、飽和壓降低、可耐高電壓大電流等特點，在汽車電子、消費電子、軌道交通、電力領域、新能源等各個傳統(tǒng)和新興的領域得到了廣泛的應用。

與IGBT 并行發(fā)展的是其驅動器， 它是功率器件和控制信號之間非常重要的接口電路， 在IGBT 正常工作中扮演者舉足輕重的作用。 IGBT 驅動器應包括高等級電壓隔離功能，驅動功能，故障檢測及保護功能。

1 IGBT 過流檢測與保護方法

IGBT 工作在高電壓大電流的惡劣環(huán)境之下， 常常因各種原因而失效損壞。 失效損壞的種類如下：過熱損壞，超出關斷安全工作區(qū)引起鎖定效應而損壞，過電流損壞，過壓造成集電極與發(fā)射極擊穿，過壓造成柵極與發(fā)射極擊穿。 其中，過流損壞是這幾類損壞中最主要的一個， 因為無論是過熱損壞、 集射極間過壓損壞， 還是柵射極間過電壓損壞， 都跟IGBT 的過電流有直接關系。在實際運行過程中，IGBT 在大多數情況下是由過流造成損壞。 在短路的錯誤狀態(tài)下，從錯誤發(fā)生到器件損壞的時間非常短，一般IGBT 最多能承受10 μs的短路電流。 為了保證整個系統(tǒng)平穩(wěn)，正常、智能運行， IGBT的保護電路的意義就更為突出，特別是過流保護功能。

目前， 各國科研人員對于IGBT 電流檢測與過流保護做了深入的研究，過流檢測與保護的方法種類很多，歸納起來都有以下方法：電流傳感器檢測，鏡像電流檢測，Vce 退保和檢測，分流器檢測，門級電壓檢測，寄生電感LeE 檢測di/dt[2]。不同的檢測方法都有相應的優(yōu)缺點。

1.1 電流傳感器檢測

使用電流傳感器對IGBT 集電極電流或母線電流進行檢測，若發(fā)生電流異常，發(fā)出故障信號，并進行相關處理，使用的器件一般為霍爾器件或羅氏線圈[3]。 這種方法廣泛應用于產品中， 可以實現測量回路與被測回路之間的電氣絕緣，避免了測量回路與一次電流之間的直接電連接, 原理簡單可靠，長期可靠性和溫度穩(wěn)定性均有保障。 但是由于霍爾器件本身受其制作材料的影響，會產生磁阻效應、不等位電勢以及溫漂。 羅氏線圈受其本身材料的限制。 線圈骨架和繞制的非均勻性將帶來很大的測量誤差，嚴重影響線圈的抗干擾能力；溫度將使線圈的骨架發(fā)生變化，從而引起線圈互感和自感系數變化，影響測量精度：輸出信號較弱，易受外界電磁場的干擾。 此外，電流傳感器體積較大、價格較高、需要外界電源的支持。

1.2 鏡像電流檢測

在鏡像IGBT 中， 一小部分的IGBT 單元和一個用于檢測的發(fā)射極電阻相結合，并聯于主IGBT 的電流臂上。導通的集電極電流通過測量電阻，便可以獲得其電流檢測值。 其測量原理簡單，但需要額外的IGBT,工藝復雜度提升，模塊的成本比較高，存在傳導損耗。

1.3 分流器檢測

利用分流器測量電流時， 是將電阻值已知的分流器串聯在IGBT 的發(fā)射端，如圖1 所示，通過測量或者觀測分流器兩端的引出電壓，即可獲得被測電流的大小或波形。 制造分流器的材料必須擁有較好的散熱性能，材料的電阻率必須擁有極高的長期穩(wěn)定性和可靠的溫度穩(wěn)定性，制造分流器的材料有多種，比較常用的有康銅和錳銅等合金金屬。 分流器的原理簡單，在電流測量中，表現出極高的精度和較快的響應速度，而且可靠性高。 但分流器是串聯在大電流的通路中，會有比較大的功率損耗和發(fā)熱量，而且體積比較大。

圖1 分流器檢測方法Fig. 1 Shunt detection method

1.4 Vce 退飽和檢測

由于IGBT 的飽和導通特性， 當集電極電流Ic 從IGBT中流過時，會在集電極-發(fā)射極產生一定的壓降Vce， Vce與Ic成正比，Vce 最能有效的反應IGBT 過流。 利用這一特性，可以對IGBT 的過流進行檢測并實施保護[4]。 如圖2 所示，這種方法原理簡單，不需電流傳感器件，只需簡單的二級管和比較電路，成本低，目前已產品化的驅動都是采用這種方法。 但在IGBT 開通瞬間，IGBT 的Vce從母線電壓降到飽和導通電壓需要1～5 μs 的時間，稱為檢測盲區(qū)，此段時間內不能對其進行檢測。如果IGBT 開通于短路的狀態(tài)下，開通瞬間將產生很大的過流，由于Vce有一段檢測盲區(qū)不能檢測到過流，這嚴重威脅著IGBT 的安全使用。

1.5 柵極電壓檢測

圖2 Vce 退飽和檢測方法Fig. 2 Vce desaturation detection method

在IGBT 正常開通過程中，柵極電壓先以較快的速度上升到米勒平臺電壓，由于米勒電容的存在，要經歷一段時間的米勒平臺，最后再以較快的速度升到15 V。 如果開通于短路的電路中，由于IGBT 不會進入飽和區(qū)，沒有米勒電容對柵極電壓的影響，柵極電壓會以恒定的速率增大到15 V；若開通后發(fā)生短路，柵極電壓降會產生一個尖峰。 根據正常情況與短路情況下的不同點，可以對柵極電壓進行檢測，若檢測到故障，對其進行相關的處理。 這種短路電流檢測方法，由于直接對柵極進行動態(tài)檢測，無需隔離電路，反應速度非?？?，沒有檢測盲區(qū)，而且易集成[5-8]。 但柵極電壓受寄生電容、電感的影響非常大，柵極電壓檢測的保護電路設計復雜，對噪聲敏感，易受干擾，可靠性不高。

圖3 柵極電壓檢測方法Fig. 3 Gate voltage detection method

1.6 寄生電感L eE 檢測d i/d t

封裝后的IGBT 有兩個發(fā)射極端， 一個是輔助發(fā)射端,另一個是功率發(fā)射極E,在輔助發(fā)射端e 和功率發(fā)射端E 之間有一個很小的寄生電感LeE，這個很小的寄生電感LeE可以反映出集電極電流Ic的變化率。 當IGBT 處在短路時，Ic迅速增大，d i/d t 增大，通過相應的電路就可以捕捉到這個瞬間，隨后進行相應的保護動作。 通過di/dt 可以實現動態(tài)監(jiān)測[9-11]，沒有檢測盲區(qū)，相應的保護電路容易集成，成本低。 但LeE的值比較小，保護電路中的寄生電感對其影響比較大，而且LeE值的大小難以確定。 目前，國外很少一部分IGBT 驅動應用此方法。

圖4 d i/d t 檢測方法Fig. 4 d i/d t detection method

2 驅動方法

由于IGBT 結合雙極型晶體管和MOSFET 的結構，表現出獨有的開關特性。 如圖5 所示，在IGBT 開通過程中，過高的d i/d t 會形成一個過沖電流，再加之續(xù)流二極管的反向恢復電流，使Ic會有一個很高的尖峰。 在IGBT 關斷時，集電極電流Ic迅速下降，高 通過雜散電感和負載電感的原因，在集電極-發(fā)射極間產生一個高的尖峰電壓。在IGBT 開通與關斷過程中，由于Ic與Vce存在同時不為零的交疊區(qū)，因此會產生可觀的開關損耗，而且開關損耗的大小由開關的快慢決定。

圖5 IGBT 開關特性Fig. 5 IGBT switch charateristics

可靠的IGBT 驅動器應該兼顧開通電流尖峰、 關斷電壓尖峰以及開關損耗。 目前IGBT 驅動器根據不同的柵極驅動方式可分為以下幾種。

2.1 固定柵電阻驅動

此驅動方式是最為普遍的， 現有驅動大都采用這種方式。 如圖6 所示，開通和關斷通過固定的柵極電阻控制，控制簡單，但不能兼顧開關損耗和電流、電壓尖峰。

圖6 固定柵電阻驅動Fig. 6 Fixed gate resistance drive

2.2 多等級動態(tài)柵電阻驅動

如圖7 所示， 此方式是在IGBT 開通和關斷的過程中，通過檢測IGBT 的運行狀態(tài)，動態(tài)的控制多等級開關，從而控制柵極驅動電阻的阻值。 開通時，當處在①③④階段時，使用較小的柵極開通電阻，加速開通，當處在②階段時使用較大的電阻開通，減小由高di/dt 和續(xù)流二級管反向恢復引起的電流尖峰；當IGBT 關斷時處在II、IV 階段時，使用較小柵極關斷電阻，加速關斷，減小開關損耗。

圖7 多等級動態(tài)柵電阻驅動Fig. 7 Multi-level dynamic gate resistance drive

2.3 動態(tài)電流源驅動

此方式與上述動態(tài)柵電阻驅動類似， 通過檢測IGBT 的運行狀態(tài)，如圖8 所示，動態(tài)的控制電流源開通。 當IGBT 開通時處在①③階段，控制電流源往柵極注入電荷，加速開通；當IGBT 關斷時處在II、IV 階段時，控制電流源從柵極抽取電荷，加速關斷，減小開關損耗。

圖8 動態(tài)電流源驅動Fig. 8 Dynamic current source drive

2.4 多等級電壓驅動

如圖9 所示，該方式在開通過程中，柵極電壓先上升到中間某位置并保持短暫的時間，之后再上升到最終的柵極電壓，可以減小由高d i/d t 和續(xù)流二級管反向恢復引起的電流尖峰。 在關斷過程中，柵極電壓先下降到中間某位置并保持短暫的時間，之后再將為關斷電壓，可以減小由高di/dt 引起的關斷峰值電壓。

圖9 多等級電壓驅動Fig. 9 Multi-level voltage drive

3 結論

本文根據柵極驅動方式將驅動為四類，根據對過流信號的檢測及過流保護方式，將過流檢測與保護分為六類。 隨著科學技術的不斷發(fā)展，IGBT 的驅動與保護電路功能將不斷完善，可靠性不斷提高。 為滿足更智能化的驅動，實現軟開通軟關斷，發(fā)展多等級驅動方式已是IGBT 驅動的發(fā)展趨勢。保護功能要滿足高可靠性、低成本，對于過流保護將采取多種檢測、保護方式共用。 隨著IGBT 器件的更新，將會產生更加新穎的驅動保護技術。

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