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1 引言 隨著半導體元件制造工藝的完善和制造技術的提高，半導體功率元件正朝著大電流、高電壓、快通斷、功耗小、易保護、模塊化方向發展，現已出現了雙極性晶體管GTR、功率場效應管MOSFET、功率絕緣柵控雙極性晶體管IGBT。IGBT晶體管是集GTR與MOSFET二者優點于一體的復合器件，它既有MOSFET的輸入阻抗高、速度快、開關損耗小、驅動電路簡單、要求驅動功率小、極限工作溫度高、易驅動的特點，又具有功率晶體管GTR的通態電壓低、耐壓高和電流容量大的優點，為電壓控制通斷的自關斷器件，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于數十kHz頻率范圍內，功率元件IGBT正日益廣泛地應用于體積小、噪音低、性能高的變頻電源及大功率的交流伺服電機的調速系統中，在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位，并已開始在上述領域中取代功率雙極性晶體管GTR 和功率場效應管MOSFET 中。與GTR和MOSFET一樣，IGBT應用的關鍵問題是驅動電路和保護電路，本文根據在實際工作中對IGBT的應用討論有關IGBT的驅動及保護問題。 2 IGBT對控制驅動電路的要求 功率IGBT是電壓驅動元件，具有一個(3～6)V的閾值電壓，有一個較大的容性輸入阻抗，對柵極電荷非常敏感，故驅動電路必須很可靠，IGBT開關特性和安全工作區隨著柵極驅動電路性能的變化而變化，驅動電路性能直接決定IGBT能否正常工作，IGBT常采用柵極驅動，與其它自關斷器件一樣，IGBT對驅動電路也有一些特殊要求。 極驅動電壓UGE。在IGBT開通時，脈沖前沿很陡的柵極電壓加到柵極和發射極之間，使IGBT快速開通，開通時間短，減小開通損耗；在關斷時，下降沿陡的反向偏置電壓加到柵極與發射極間，使之快速關斷，減小關斷損耗。因此，用內阻小的驅動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。IGBT導通中及瞬時過載時，柵極驅動源應能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。 閾值電壓UGE(th)由器件本身性能決定，實際應用中UGE應不小于(1.5～2.5)UGE(th)，以利獲得最小導通壓降。當UGE增加時，導通狀態下的集射電壓UCE壓減小，通態壓降和開通損耗均下降；但負載過程中UGE增加，集電極電流Ic也隨之增加，IGBT能承受短路電流的時間減小，對其安全不利，因此在有短路過程的設備中Uge應選得小些，由于飽和導通電壓是IGBT發熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。綜合考慮，一般選+15V；IGBT關斷時，柵射極間加反偏電壓有利于IGBT迅速關斷，但反偏電壓-UGE受柵射極間反向最大耐壓限制，過大則造成柵射極的反向擊穿，一般-UGE為(-2～-10)V，通常取-5 V關柵電壓。電路上采用穩壓管的辦法，用+20 V 電壓來產生+15V 開柵電壓和-5V關柵電壓。 柵極電阻RG。IGBT 的輸入阻抗高達109～ 1011歐姆，且為純容性的，不需直流電流，在它的柵極～發射極間施加十幾伏的電壓，只有uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。為了改善控制脈沖前后沿陡度，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯電阻RG，柵極串聯電阻和驅動電路內阻抗對IGBT的開通過程影響較大，而對關斷過程影響小一些，串聯電阻小有利于加快關斷速率，減小關斷損耗，但過小會造成di/dt增高，產生較大的集電極電壓尖峰，可能引起誤導通或損壞IGBT。因此對串聯電阻要根據具體電流容量和電壓額定值及開關頻率的不同，選擇合適的阻值，而且柵極串聯電阻應隨著IGBT電流容量的增加而減小。一般RG為十幾歐至幾百歐。 柵射電阻RGE。當集射極問加有高壓時易受干擾使柵射電壓超過UGE(th)引起誤導通，在柵射極間并接一柵射電阻RGE可防止此現象發生；RGE阻值太小，會使IGBT開通時間變大，降低了開關頻率，通常RGE取(1000～5000)RG。并將RGE并在柵極與射極最近處。此外，為防止出現尖峰電壓，在柵射間并接兩只反向串聯的穩壓二極管，穩壓值與開柵電壓+UGE和關柵電壓-UGE相同，方向相反。 柵極驅動電路要簡單、實用，抗干擾性能好，自身保護功能完整，到IGBT的引出線盡量短，采用雙絞線，驅動電路與控制電路采用光電耦合隔離。 3 IGBT驅動電路應用實例 IGBT的驅動電路必須具備兩個功能：一是實現控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅動脈沖。IGBT的驅動電路很多，分立元件搭成的驅動電路，簡單、廉價；專用集成驅動電路保護功能完善、性能穩定，但價格稍貴些。 EXB841是日本富士公司生產的混合集成電路，能驅動動高達400A 的600V IGBT 和高達300A的1200V IGBT，模塊功能較完善，具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性，是一種比較典型的驅動電路。用+20V直流電源供電，能產生+15V 的開柵電壓和-5V 的關柵電壓，內裝TLP550高速光耦隔離芯片，驅動電路信號延遲小于1us，內部集成了過流檢測電路及低速過流切斷電路，在國內得到了廣泛應用。使用該模塊時要注意如下方面：IGBT的珊射極驅動回路接線一定要小于1 m；IGBT的柵射驅動接線應為雙絞線；如果在IGBT集電極產生大的電壓脈沖，則要增加IGBT的珊極串聯電阻(RG)；47uF電容用于吸收由于電源接線阻抗引起的電壓變化，并不是電源濾波器的電容器。下圖為由EXB841組成的驅動及保護電路： 圖1 驅動、保護電路圖 IGBT正常工作時，EXB841的過流信號指示端5腳為高電平，4N25不導通，觸發器R腳為“0”，Q腳為“1”，IGBT正常工作。當IGBT出現過流信號時，EXB841內部過流檢測電路經幾微秒延時，以濾掉干擾信號，5腳變為低電平，4N25導通，觸發器翻轉，Q腳為“0”，關斷IGBT驅動信號，起到保護作用。在工作中，應用了專用集成驅動模塊EXB841，驅動了2 kw 的感性負載一高頻疲勞試驗機的電磁激勵線圈，效果很好。 4 結束語 本文對IGBT的驅動和保護進行了分析，結合實際應用，得出了如下幾點結論： 柵極串聯電阻和驅動電路內阻抗對IGBT的開通過程及驅動脈沖的波形都有很大影響。設計時應綜合考慮。 在大電感負載下，IGBT的開關時間不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。 由于IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，故驅動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離，驅動電路與IGBT的連線要盡量短。 IGBT的柵極驅動電路應盡可能簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護功能，有較強的抗干擾能力。 在實際應用中，為達到更好的效果，在過流保護上還需采用如軟關斷、降柵壓等方法；采用鉗位電路防止產生浪涌電壓等。 |
