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基于IGBT模块驱动及保护技术研究

导读: IGBT作为一种大功率的复合器件,存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压,过高的电流变化率会引起过电压,为此需要采用软关断技术,因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。

  IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点,又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

  IGBT是电压控制型器件,在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压,只有μA级的漏电流流过,基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容(几千至上万pF),在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流,才能满足开通和关断的动态要求,这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。

  IGBT作为一种大功率的复合器件,存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压,过高的电流变化率会引起过电压,为此需要采用软关断技术,因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。

  栅极特性

  IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般只能达到20~30V,因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极-集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此。通常采用绞线来传送驱动信号,以减小寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

  由于IGBT的栅极-发射极和栅极-集电极间存在着分布电容Cge和Cgc,以及发射极驱动电路中存在有分布电感Le,这些分布参数的影响,使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同,并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。这可以用带续流二极管的电感负载电路(见图1)得到验证。

基于IGBT模块驱动及保护技术研究

  图1 IGBT开关等效电路和开通波形

  在t0时刻,栅极驱动电压开始上升,此时影响栅极电压uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge,栅极电压上升较快。在t1时刻达到IGBT的栅极门槛值,集电极电流开始上升。从此时开始有2个原因导致uge波形偏离原有的轨迹。

  首先,发射极电路中的分布电感Le上的感应电压随着集电极电流ic的增加而加大,从而削弱了栅极驱动电压,并且降低了栅极-发射极间的uge的上升率,减缓了集电极电流的增长。

  其次,另一个影响栅极驱动电路电压的因素是栅极-集电极电容Cgc的密勒效应。t2时刻,集电极电流达到最大值,进而栅极-集电极间电容Cgc开始放电,在驱动电路中增加了Cgc的容性电流,使得在驱动电路内阻抗上的压降增加,也削弱了栅极驱动电压。显然,栅极驱动电路的阻抗越低,这种效应越弱,此效应一直维持到t3时刻,uce降到零为止。它的影响同样减缓了IGBT的开通过程。在t3时刻后,ic达到稳态值,影响栅极电压uge的因素消失后,uge以较快的上升率达到最大值。

  由图1波形可看出,由于Le和Cgc的存在,在IGBT的实际运行中uge的上升速率减缓了许多,这种阻碍驱动电压上升的效应,表现为对集电极电流上升及开通过程的阻碍。为了减缓此效应,应使IGBT模块的Le和Cgc及栅极驱动电路的内阻尽量小,以获得较快的开通速度。

  IGBT关断时的波形如图2所示。t0时刻栅极驱动电压开始下降,在t1时刻达到刚能维持集电极正常工作电流的水平,IGBT进入线性工作区,uce开始上升,此时,栅极-集电极间电容Cgc的密勒效应支配着uce的上升,因Cgc耦合充电作用,uge在t1-t2期间基本不变,在t2时刻uge和ic开始以栅极-发射极间固有阻抗所决定的速度下降,在t3时,uge及ic均降为零,关断结束。

基于IGBT模块驱动及保护技术研究

  图2 IGBT关断时的波形

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