絕-緣-柵-雙-極-型-晶-體-管

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上絕 緣 柵 雙 極 型 晶 體 管 IGBT是 由 MOSFET和 雙 極 型 晶 體 管 復(fù) 合 而 成 的 一 種 器 件 ， 其 輸 入 極 為 MOSFET， 輸 出 極 為 PNP晶 體 管 ， 因 此 ， 可 以 把 其 看 作 是 MOS輸 入 的 達(dá) 林 頓 管 。 它 融 和 了 這 兩 種 器 件 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 既 具 有 MOSFET器 件 驅(qū) 動(dòng) 簡 單 和 快 速 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 又 具 有 雙 極 型 器 件 容 量 大 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 因 而 ， 在 現(xiàn) 代 電 力 電 子 技 術(shù) 中 得 到 了 越 來 越 廣 泛 的 應(yīng) 用 。&#

2、160;在 中 大 功 率 的 開 關(guān) 電 源 裝 置 中 ， IGBT由 于 其 控 制 驅(qū) 動(dòng) 電 路 簡 單 、 工 作 頻 率 較 高 、 容 量 較 大 的 特 點(diǎn) ， 已 逐 步 取 代 晶 閘 管 或 GTO。 但 是 在 開 關(guān) 電 源 裝 置 中 ， 由 于 它 工 作 在 高 頻 與 高 電 壓 、 大 電 流 的 條 件 下 ， 使 得 它 容 易 損 壞 ， 另 外 ， 電 源 作 為 系 統(tǒng) 的 前 級(jí) ， 由 于 受 電 網(wǎng) 波 動(dòng) 、 雷 擊 等 原 因 的 影 響 使 得 它 所 承 受 的 應(yīng) 力 更 大 ， 故 IGBT的 可 靠 性 直 接 關(guān) 系 到 電

3、 源 的 可 靠 性 。 因 而 ， 在 選 擇 IGBT時(shí) 除 了 要 作 降 額 考 慮 外 ， 對(duì) IGBT的 保 護(hù) 設(shè) 計(jì) 也 是 電 源 設(shè) 計(jì) 時(shí) 需 要 重 點(diǎn) 考 慮 的 一 個(gè) 環(huán) 節(jié) 。 工 作 原 理  IGBT的 等 效 電 路 如 圖 1所 示 。 由 圖 1可 知 ， 若 在 IGBT的 柵 極 和 發(fā) 射 極 之 間 加 上 驅(qū) 動(dòng) 正 電 壓 ， 則 MOSFET導(dǎo) 通 ， 這 樣 PNP晶 體 管 的 集 電 極 與 基 極 之 間 成 低 阻 狀 態(tài) 而 使 得 晶 體 管 導(dǎo) 通 ； 若 IGBT的 柵 極 和 發(fā) 射 極 之 間 電

4、 壓 為 0 V， 則 MOSFET截 止 ， 切 斷 PNP晶 體 管 基 極 電 流 的 供 給 ， 使 得 晶 體 管 截 止 。 由 此 可 知 ， IGBT的 安 全 可 靠 與 否 主 要 由 以 下 因 素 決 定 ：  IGBT柵 極 與 發(fā) 射 極 之 間 的 電 壓 ；  IGBT集 電 極 與 發(fā) 射 極 之 間 的 電 壓 ；  流 過 IGBT集 電 極 發(fā) 射 極 的 電 流 ；  IGBT的 結(jié) 溫 。 如 果 IGBT柵 極 與 發(fā) 射 極 之 間 的 電 壓 ， 即 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 過 低 ， 則 I

5、GBT不 能 穩(wěn) 定 正 常 地 工 作 ， 如 果 過 高 超 過 柵 極 發(fā) 射 極 之 間 的 耐 壓 則 IGBT可 能 永  久 性 損 壞 ； 同 樣 ， 如 果 加 在 IGBT集 電 極 與 發(fā) 射 極 允 許 的 電 壓 超 過 集 電 極 發(fā) 射 極 之 間 的 耐 壓 ， 流 過 IGBT集 電 極 發(fā) 射 極 的 電 流 超 過 集 電 極 發(fā) 射 極 允 許 的 最 大 電 流 ， IGBT的 結(jié) 溫 超 過 其 結(jié) 溫 的 允 許 值 ， IGBT都 可 能 會(huì) 永 久 性 損 壞 。 2 保 護(hù) 措 施 在 進(jìn) 行 電 路 設(shè) 計(jì) 時(shí)

6、 ， 應(yīng) 針 對(duì) 影 響 IGBT可 靠 性 的 因 素 ， 有 的 放 矢 地 采 取 相 應(yīng) 的 保 護(hù) 措 施 。 2 1 IGBT柵 極 的 保 護(hù)  IGBT的 柵 極 發(fā) 射 極 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 VGE的 保 證 值 為 ± 20 V， 如 果 在 它 的 柵 極 與 發(fā) 射 極 之 間 加 上 超 出 保 證 值 的 電 壓 ， 則 可 能 會(huì) 損 壞 IGBT， 因 此 ， 在 IGBT的 驅(qū) 動(dòng) 電 路 中 應(yīng) 當(dāng) 設(shè) 置 柵 壓 限 幅 電 路 。 另 外 ， 若 IGBT的 柵 極 與 發(fā) 射 極 間 開 路 ， 而 在 其 集 電 極 與

7、發(fā) 射 極 之 間 加 上 電 壓 ， 則 隨 著 集 電 極 電 位 的 變 化 ， 由 于 柵 極 與 集 電 極 和 發(fā) 射 極 之 間 寄 生 電 容 的 存 在 ， 使 得 柵 極 電 位 升 高 ， 集 電 極 發(fā) 射 極 有 電 流 流 過 。 這 時(shí) 若 集 電 極 和 發(fā) 射 極 間 處 于 高 壓 狀 態(tài) 時(shí) ， 可 能 會(huì) 使 IGBT發(fā) 熱 甚 至 損 壞 。 如 果 設(shè) 備 在 運(yùn) 輸 或 振 動(dòng) 過 程 中 使 得 柵 極 回 路 斷 開 ， 在 不 被 察 覺 的 情 況 下 給 主 電 路 加 上 電 壓 ， 則 IGBT就 可 能 會(huì) 損 壞 。 為 防 止

8、此 類 情 況 發(fā) 生 ， 應(yīng) 在 IGBT的 柵 極 與 發(fā) 射 極 間 并 接 一 只 幾 十 k 的 電 阻 ， 此 電 阻 應(yīng) 盡 量 靠 近 柵 極 與 發(fā) 射 極 。 如 圖 2所 示 。  由 于 IGBT是 功 率 MOSFET和 PNP雙 極 晶 體 管 的 復(fù) 合 體 ， 特 別 是 其 柵 極 為 MOS結(jié) 構(gòu) ， 因 此 除 了 上 述 應(yīng) 有 的 保 護(hù) 之 外 ， 就 像 其 他 MOS結(jié) 構(gòu) 器 件 一 樣 ， IGBT對(duì) 于 靜 電 壓 也 是 十 分 敏 感 的 ， 故 而 對(duì) IGBT進(jìn) 行 裝 配 焊 接 作 業(yè) 時(shí) 也 必 須 注 意 以 下

9、事 項(xiàng) ：  在 需 要 用 手 接 觸 IGBT前 ， 應(yīng) 先 將 人 體 上 的 靜 電 放 電 后 再 進(jìn) 行 操 作 ， 并 盡 量 不 要 接 觸 模 塊 的 驅(qū) 動(dòng) 端 子 部 分 ， 必 須 接 觸 時(shí) 要 保 證 此 時(shí) 人 體 上 所 帶 的 靜 電 已 全 部 放 掉 ；  在 焊 接 作 業(yè) 時(shí) ， 為 了 防 止 靜 電 可 能 損 壞 IGBT， 焊 機(jī) 一 定 要 可 靠 地 接 地 。 2 2 集 電 極 與 發(fā) 射 極 間 的 過 壓 保 護(hù) 過 電 壓 的 產(chǎn) 生 主 要 有 兩 種 情 況 ， 一 種 是 施 加 到

10、IGBT集 電 極 發(fā) 射 極 間 的 直 流 電 壓 過 高 ， 另 一 種 為 集 電 極 發(fā) 射 極 上 的 浪 涌 電 壓 過 高 。 2. 2. 1 直 流 過 電 壓 直 流 過 壓 產(chǎn) 生 的 原 因 是 由 于 輸 入 交 流 電 源 或 IGBT的 前 一 級(jí) 輸 入 發(fā) 生 異 常 所 致 。 解 決 的 辦 法 是 在 選 取 IGBT時(shí) ， 進(jìn) 行 降 額 設(shè) 計(jì) ； 另 外 ， 可 在 檢 測 出 這 一 過 壓 時(shí) 分 斷 IGBT的 輸 入 ， 保 證 IGBT的 安 全 。 2. 2. 2 浪 涌 電 壓 的 保 護(hù) 因

11、為 電 路 中 分 布 電 感 的 存 在 ， 加 之 IGBT的 開 關(guān) 速 度 較 高 ， 當(dāng) IGBT關(guān) 斷 時(shí) 及 與 之 并 接 的 反 向 恢 復(fù) 二 極 管 逆 向 恢 復(fù) 時(shí) ， 就 會(huì) 產(chǎn) 生 很 大 的 浪 涌 電 壓 Ldi/dt， 威 脅 IGBT的 安 全 。 通 常 IGBT的 浪 涌 電 壓 波 形 如 圖 3所 示 。 圖 中 ： vCE為 IGBT集 電 極 發(fā) 射 極 間 的 電 壓 波 形 ；  ic為 IGBT的 集 電 極 電 流 ；  Ud為 輸 入 IGBT的 直 流 電 壓 ； VCESP=Ud

12、Ldic/dt,為 浪 涌 電 壓 峰 值 。 如 果 VCESP超 出 IGBT的 集 電 極 發(fā) 射 極 間 耐 壓 值 VCES， 就 可 能 損 壞 IGBT。 解 決 的 辦 法 主 要 有 ： 在 選 取 IGBT時(shí) 考 慮 設(shè) 計(jì) 裕 量 ；  在 電 路 設(shè) 計(jì) 時(shí) 調(diào) 整 IGBT驅(qū) 動(dòng) 電 路 的 Rg， 使 di/dt盡 可 能 小 ；  盡 量 將 電 解 電 容 靠 近 IGBT安 裝 ， 以 減 小 分 布 電 感 ；  根 據(jù) 情 況 加 裝 緩 沖 保 護(hù) 電 路 ， 旁 路 高 頻 浪 涌 電 壓 。 由 于

13、緩 沖 保 護(hù) 電 路 對(duì) IGBT的 安 全 工 作 起 著 很 重 要 的 作 用 ， 在 此 將 緩 沖 保 護(hù) 電 路 的 類 型 和 特 點(diǎn) 作 一 介 紹 。  C緩 沖 電 路 如 圖 4(a)所 示 ， 采 用 薄 膜 電 容 ， 靠 近 IGBT安 裝 ， 其 特 點(diǎn) 是 電 路 簡 單 ， 其 缺 點(diǎn) 是 由 分 布 電 感 及 緩 沖 電 容 構(gòu) 成 LC諧 振 電 路 ， 易 產(chǎn) 生 電 壓 振 蕩 ， 而 且 IGBT開 通 時(shí) 集 電 極 電 流 較 大 。  RC緩 沖 電 路 如 圖 4(b)所 示 ， 其 特 點(diǎn) 是 適 合 于 斬 波 電

14、 路 ， 但 在 使 用 大 容 量 IGBT時(shí) ， 必 須 使 緩 沖 電 阻 值 增 大 ， 否 則 ， 開 通 時(shí) 集 電 極 電 流 過 大 ， 使 IGBT功 能 受 到 一 定 限 制 。  RCD緩 沖 電 路 如 圖 4(c)所 示 ， 與 RC緩 沖 電 路 相 比 其 特 點(diǎn) 是 ， 增 加 了 緩 沖 二 極 管 從 而 使 緩 沖 電 阻 增 大 ， 避 開 了 開 通 時(shí) IGBT功 能 受 阻 的 問 題 。 該 緩 沖 電 路 中 緩 沖 電 阻 產(chǎn) 生 的 損 耗 為 式 中 ： L為 主 電 路 中 的 分 布 電 感 ；

15、0; I為 IGBT關(guān) 斷 時(shí) 的 集 電 極 電 流 ； f為 IGBT的 開 關(guān) 頻 率 ；  C為 緩 沖 電 容 ； Ud為 直 流 電 壓 值 。  放 電 阻 止 型 緩 沖 電 路 如 圖 4(d)所 示 ， 與 RCD緩 沖 電 路 相 比 其 特 點(diǎn) 是 ， 產(chǎn) 生 的 損 耗 小 ， 適 合 于 高 頻 開 關(guān) 。 在 該 緩 沖 電 路 中 緩 沖 電 阻 上 產(chǎn) 生 的 損 耗 為  根 據(jù) 實(shí) 際 情 況 選 取 適 當(dāng) 的 緩 沖 保 護(hù) 電 路 ， 抑 制 關(guān) 斷 浪 涌 電 壓 。 在 進(jìn) 行 裝 配 時(shí) ， 要

16、 盡 量 降 低 主 電 路 和 緩 沖 電 路 的 分 布 電 感 ， 接 線 越 短 越 粗 越 好 。 2. 3 集 電 極 電 流 過 流 保 護(hù) 對(duì) IGBT的 過 流 保 護(hù) ， 主 要 有 3種 方 法 。 2. 3. 1 用 電 阻 或 電 流 互 感 器 檢 測 過 流 進(jìn) 行 保 護(hù) 如 圖 5（ a） 及 圖 5（ b） 所 示 ， 可 以 用 電 阻 或 電 流 互 感 器 與 IGBT串 聯(lián) ， 檢 測 流 過 IGBT集 電 極 的 電 流 。 當(dāng) 有 過 流 情 況 發(fā) 生 時(shí) ， 控 制 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 斷 開 IGBT的

17、 輸 入 ， 達(dá) 到 保 護(hù) IGBT的 目 的 。2. 3. 2 由 IGBT的 VCE(sat)檢 測 過 流 進(jìn) 行 保 護(hù) 如 圖 5（ c） 所 示 ， 因 ， 當(dāng) Ic增 大 時(shí) ， VCE(sat)也 隨 之 增 大 ， 若 柵 極 電 壓 為 高 電 平 ， 而 VCE為 高 ， 則 此 時(shí) 就 有 過 流 情 況 發(fā) 生 ， 此 時(shí) 與 門 輸 出 高 電 平 ， 將 過 流 信 號(hào) 輸 出 ， 控 制 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 斷 開 IGBT的 輸 入 ， 保 護(hù) IGBT。 2. 3. 3 檢 測 負(fù) 載 電 流 進(jìn) 行 保 護(hù) 此 方 法 與 圖

18、5（ a） 中 的 檢 測 方 法 基 本 相 同 ， 但 圖 5（ a） 屬 直 接 法 ， 此 屬 間 接 法 ， 如 圖 5（ d） 所 示 。 若 負(fù) 載 短 路 或 負(fù) 載 電 流 加 大 時(shí) ， 也 可 能 使 前 級(jí) 的 IGBT的 集 電 極 電 流 增 大 ， 導(dǎo) 致 IGBT損 壞 。 由 負(fù) 載 處 （ 或 IGBT的 后 一 級(jí) 電 路 ） 檢 測 到 異 常 后 ， 控 制 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 切 斷 IGBT的 輸 入 ， 達(dá) 到 保 護(hù) 的 目 的 。 2. 4 過 熱 保 護(hù) 一 般 情 況 下 流 過 IGBT的 電 流 較 大 ， 開 關(guān) 頻

19、 率 較 高 ， 故 而 器 件 的 損 耗 也 比 較 大 ， 如 果 熱 量 不 能 及  時(shí) 散 掉 ， 使 得 器 件 的 結(jié) 溫 Tj超 過 Tjmax， 則 IGBT可 能 損 壞 。  IGBT的 功 耗 包 括 穩(wěn) 態(tài) 功 耗 和 動(dòng) 態(tài) 動(dòng) 耗 ， 其 動(dòng) 態(tài) 功 耗 又 包 括 開 通 功 耗 和 關(guān) 斷 功 耗 。 在 進(jìn) 行 熱 設(shè) 計(jì) 時(shí) ， 不 僅 要 保 證 其 在 正 常 工 作 時(shí) 能 夠 充 分 散 熱 ， 而 且 還 要 保 證 其 在 發(fā) 生 短 時(shí) 過 載 時(shí) ， IGBT的 結(jié) 溫 也 不 超 過 Tjmax。 當(dāng) 然

20、， 受 設(shè) 備 的 體 積 和 重 量 等 的 限 制 以 及 性 價(jià) 比 的 考 慮 ， 散 熱 系 統(tǒng) 也 不 可 能 無 限 制 地 擴(kuò) 大 。 可 在 靠 近 IGBT處 加 裝 一 溫 度 繼 電 器 等 ， 檢 測 IGBT的 工 作 溫 度 。 控 制 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 在 發(fā) 生 異 常 時(shí) 切 斷 IGBT的 輸 入 ， 保 護(hù) 其 安 全 。 除 此 之 外 ， 將 IGBT往 散 熱 器 上 安 裝 固 定 時(shí) 應(yīng) 注 意 以 下 事 項(xiàng) ：  由 于 熱 阻 隨 IGBT安 裝 位 置 的 不 同 而 不 同 ， 因 此 ， 若 在 散 熱 器 上 僅

21、 安 裝 一 個(gè) IGBT時(shí) ， 應(yīng) 將 其 安 裝 在 正 中 間 ， 以 便 使 得 熱 阻 最 小 ； 當(dāng) 要 安 裝 幾 個(gè) IGBT時(shí) ， 應(yīng) 根 據(jù) 每 個(gè) IGBT的 發(fā) 熱 情 況 留 出 相 應(yīng) 的 空 間 ；  使 用 帶 紋 路 的 散 熱 器 時(shí) ， 應(yīng) 將 IGBT較 寬 的 方 向 順 著 散 熱 器 的 紋 路 ， 以 減 少 散 熱 器 的 變 形 ；  散 熱 器 的 安 裝 表 面 光 潔 度 應(yīng) 10 m， 如 果 散 熱 器 的 表 面 不 平 ， 將 大 大 增 加 散 熱 器 與 器 件 的 接 觸 熱 阻 ， 甚 至 在 IGB

22、T的 管 芯 和 管 殼 之 間 的 襯 底 上 產(chǎn) 生 很 大 的 張 力 ， 損 壞 IGBT的 絕 緣 層 ；  為 了 減 少 接 觸 熱 阻 ， 最 好 在 散 熱 器 與  IGBT模 塊 間 涂 抹 導(dǎo) 熱 硅 脂 。 3 結(jié) 語 在 應(yīng) 用 IGBT時(shí) 應(yīng) 根 據(jù) 實(shí) 際 情 況 ， 采 取 相 應(yīng) 的 保 護(hù) 措 施 。 只 要 在 過 壓 、 過 流 、 過 熱 等 幾 個(gè) 方 面 都 采 取 有 效 的 保 護(hù) 措 施 后 ， 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 均 能 夠 取 得 良 好 的 效 果 ， 保 證 IGBT安 全 可 靠 地 工

23、 作 。    IGBT是 MOSFET與 雙 極 晶 體 管 的 復(fù) 合 器 件 。 它 既 有 MOSFET易 驅(qū) 動(dòng) 的 特 點(diǎn) ， 又 具 有 功 率 晶 體 管 電 壓 、 電 流 容 量 大 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 其 頻 率 特 性 介 于 MOSFET與 功 率 晶 體 管 之 間 ， 可 正 常 工 作 于 幾 十 kHz頻 率 范 圍 內(nèi) ， 故 在 較 高 頻 率 的 大 、 中 功 率 應(yīng) 用 中 占 據(jù) 了 主 導(dǎo) 地 位 。    IGBT是 電 壓 控 制 型 器 件 ， 在 它 的 柵 極 發(fā) 射 極 間 施

24、加 十 幾 V的 直 流 電 壓 ， 只 有 A級(jí) 的 漏 電 流 流 過 ， 基 本 上 不 消 耗 功 率 。 但 IGBT的 柵 極 發(fā) 射 極 間 存 在 著 較 大 的 寄 生 電 容 （ 幾 千 至 上 萬 pF） ， 在 驅(qū) 動(dòng) 脈 沖 電 壓 的 上 升 及 下 降 沿 需 要 提 供 數(shù) A的 充 放 電 電 流 ， 才 能 滿 足 開 通 和 關(guān) 斷 的 動(dòng) 態(tài) 要 求 ， 這 使 得 它 的 驅(qū) 動(dòng) 電 路 也 必 須 輸 出 一 定 的 峰 值 電 流 。    IGBT作 為 一 種 大 功 率 的 復(fù) 合 器 件 ， 存 在 著 過 流

25、 時(shí) 可 能 發(fā) 生 鎖 定 現(xiàn) 象 而 造 成 損 壞 的 問 題 。 在 過 流 時(shí) 如 采 用 一 般 的 速 度 封 鎖 柵 極 電 壓 ， 過 高 的 電 流 變 化 率 會(huì) 引 起 過 電 壓 ， 為 此 需 要 采 用 軟 關(guān) 斷 技 術(shù) ， 因 而 掌 握 好 IGBT的 驅(qū) 動(dòng) 和 保 護(hù) 特 性 是 十 分 必 要 的 。2 柵 極 特 性    IGBT的 柵 極 通 過 一 層 氧 化 膜 與 發(fā) 射 極 實(shí) 現(xiàn) 電 隔 離 。 由 于 此 氧 化 膜 很 薄 ， 其 擊 穿 電 壓 一 般 只 能 達(dá) 到 20 30 V， 因 此 柵 極

26、 擊 穿 是 IGBT失 效 的 常 見 原 因 之 一 。 在 應(yīng) 用 中 有 時(shí) 雖 然 保 證 了 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 沒 有 超 過 柵 極 最 大 額 定 電 壓 ， 但 柵 極 連 線 的 寄 生 電 感 和 柵 極 集 電 極 間 的 電 容 耦 合 ， 也 會(huì) 產(chǎn) 生 使 氧 化 層 損 壞 的 振 蕩 電 壓 。 為 此 。 通 常 采 用 絞 線 來 傳 送 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) ， 以 減 小 寄 生 電 感 。 在 柵 極 連 線 中 串 聯(lián) 小 電 阻 也 可 以 抑 制 振 蕩 電 壓 。    由 于 IGBT的 柵 極 發(fā) 射 極 和

27、 柵 極 集 電 極 間 存 在 著 分 布 電 容 Cge和 Cgc， 以 及 發(fā) 射 極 驅(qū) 動(dòng) 電 路 中 存 在 有 分 布 電 感 Le， 這 些 分 布 參 數(shù) 的 影 響 ， 使 得 IGBT的 實(shí) 際 驅(qū) 動(dòng) 波 形 與 理 想 驅(qū) 動(dòng) 波 形 不 完 全 相 同 ， 并 產(chǎn) 生 了 不 利 于 IGBT開 通 和 關(guān) 斷 的 因 素 。 這 可 以 用 帶 續(xù) 流 二 極 管 的 電 感 負(fù) 載 電 路 （ 見 圖 1） 得 到 驗(yàn) 證 。     在 t0時(shí) 刻 ， 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 開 始 上 升 ， 此 時(shí) 影 響 柵 極 電 壓 u

28、ge上 升 斜 率 的 主 要 因 素 只 有 Rg和 Cge， 柵 極 電 壓 上 升 較 快 。 在 t1時(shí) 刻 達(dá) 到 IGBT的 柵 極 門 檻 值 ， 集 電 極 電 流 開 始 上 升 。 從 此 時(shí) 開 始 有 2個(gè) 原 因 導(dǎo) 致 uge波 形 偏 離 原 有 的 軌 跡 。    首 先 ， 發(fā) 射 極 電 路 中 的 分 布 電 感 Le上 的 感 應(yīng) 電 壓 隨 著 集 電 極 電 流 ic的 增 加 而 加 大 ， 從 而 削 弱 了 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 ， 并 且 降 低 了 柵 極 發(fā) 射 極 間 的 uge的 上 升 率 ， 減

29、緩 了 集 電 極 電 流 的 增 長 。    其 次 ， 另 一 個(gè) 影 響 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 路 電 壓 的 因 素 是 柵 極 集 電 極 電 容 Cgc的 密 勒 效 應(yīng) 。 t2時(shí) 刻 ， 集 電 極 電 流 達(dá) 到 最 大 值 ， 進(jìn) 而 柵 極 集 電 極 間 電 容 Cgc開 始 放 電 ， 在 驅(qū) 動(dòng) 電 路 中 增 加 了 Cgc的 容 性 電 流 ， 使 得 在 驅(qū) 動(dòng) 電 路 內(nèi) 阻 抗 上 的 壓 降 增 加 ， 也 削 弱 了 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 。 顯 然 ， 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 路 的 阻 抗 越 低 ， 這 種 效 應(yīng) 越

30、 弱 ， 此 效 應(yīng) 一 直 維 持 到 t3時(shí) 刻 ， uce降 到 零 為 止 。 它 的 影 響 同 樣 減 緩 了 IGBT的 開 通 過 程 。 在 t3時(shí) 刻 后 ， ic達(dá) 到 穩(wěn) 態(tài) 值 ， 影 響 柵 極 電 壓 uge的 因 素 消 失 后 ， uge以 較 快 的 上 升 率 達(dá) 到 最 大 值 。    由 圖 1波 形 可 看 出 ， 由 于 Le和 Cgc的 存 在 ， 在 IGBT的 實(shí) 際 運(yùn) 行 中 uge的 上 升 速 率 減 緩 了 許 多 ， 這 種 阻 礙 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 上 升 的 效 應(yīng) ， 表 現(xiàn) 為 對(duì) 集 電 極

31、 電 流 上 升 及 開 通 過 程 的 阻 礙 。 為 了 減 緩 此 效 應(yīng) ， 應(yīng) 使 IGBT模 塊 的 Le和 Cgc及 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 路 的 內(nèi) 阻 盡 量 小 ， 以 獲 得 較 快 的 開 通 速 度 。    IGBT關(guān) 斷 時(shí) 的 波 形 如 圖 2所 示 。 t0時(shí) 刻 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 開 始 下 降 ， 在 t1時(shí) 刻 達(dá) 到 剛 能 維 持 集 電 極 正 常 工 作 電 流 的 水 平 ， IGBT進(jìn) 入 線 性 工 作 區(qū) ， uce開 始 上 升 ， 此 時(shí) ， 柵 極 集 電 極 間 電 容 Cgc的 密 勒 效 應(yīng)

32、 支 配 著 uce的 上 升 ， 因 Cgc耦 合 充 電 作 用 ， uge在 t1 t2期 間 基 本 不 變 ， 在 t2時(shí) 刻 uge和 ic開 始 以 柵 極 發(fā) 射 極 間 固 有 阻 抗 所 決 定 的 速 度 下 降 ， 在 t3時(shí) ， uge及 ic均 降 為 零 ， 關(guān) 斷 結(jié) 束 。 由 圖 2可 看 出 ， 由 于 電 容 Cgc的 存 在 ， 使 得 IGBT的 關(guān) 斷 過 程 也 延 長 了 許 多 。 為 了 減 小 此 影 響 ， 一 方 面 應(yīng) 選 擇 Cgc較 小 的 IGBT器 件 ； 另 一 方 面 應(yīng) 減 小 驅(qū) 動(dòng) 電 路 的 內(nèi) 阻 抗 ， 使

33、流 入 Cgc的 充 電 電 流 增 加 ， 加 快 了 uce的 上 升 速 度 。    在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ， IGBT的 uge幅 值 也 影 響 著 飽 和 導(dǎo) 通 壓 降 ： uge增 加 ， 飽 和 導(dǎo) 通 電 壓 將 減 小 。 由 于 飽 和 導(dǎo) 通 電 壓 是 IGBT發(fā) 熱 的 主 要 原 因 之 一 ， 因 此 必 須 盡 量 減 小 。 通 常 uge為 15 18 V， 若 過 高 ， 容 易 造 成 柵 極 擊 穿 。 一 般 取 15 V。 IGBT關(guān) 斷 時(shí) 給 其 柵 極 發(fā) 射 極 加 一 定 的 負(fù) 偏 壓 有 利 于

34、提 高 IGBT的 抗 騷 擾 能 力 ， 通 常 取 5 10 V。3 柵 極 串 聯(lián) 電 阻 對(duì) 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 波 形 的 影 響    柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 的 上 升 、 下 降 速 率 對(duì) IGBT開 通 關(guān) 斷 過 程 有 著 較 大 的 影 響 。 IGBT的 MOS溝 道 受 柵 極 電 壓 的 直 接 控 制 ， 而 MOSFET部 分 的 漏 極 電 流 控 制 著 雙 極 部 分 的 柵 極 電 流 ， 使 得 IGBT的 開 通 特 性 主 要 決 定 于 它 的 MOSFET部 分 ， 所 以 IGBT的 開 通 受 柵 極 驅(qū) 動(dòng)

35、波 形 的 影 響 較 大 。 IGBT的 關(guān) 斷 特 性 主 要 取 決 于 內(nèi) 部 少 子 的 復(fù) 合 速 率 ， 少 子 的 復(fù) 合 受 MOSFET的 關(guān) 斷 影 響 ， 所 以 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 對(duì) IGBT的 關(guān) 斷 也 有 影 響 。    在 高 頻 應(yīng) 用 時(shí) ， 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 的 上 升 、 下 降 速 率 應(yīng) 快 一 些 ， 以 提 高 IGBT開 關(guān) 速 率 降 低 損 耗 。    在 正 常 狀 態(tài) 下 IGBT開 通 越 快 ， 損 耗 越 小 。 但 在 開 通 過 程 中 如 有 續(xù) 流 二 極 管

36、的 反 向 恢 復(fù) 電 流 和 吸 收 電 容 的 放 電 電 流 ， 則 開 通 越 快 ， IGBT承 受 的 峰 值 電 流 越 大 ， 越 容 易 導(dǎo) 致 IGBT損 害 。 此 時(shí) 應(yīng) 降 低 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 的 上 升 速 率 ， 即 增 加 柵 極 串 聯(lián) 電 阻 的 阻 值 ， 抑 制 該 電 流 的 峰 值 。 其 代 價(jià) 是 較 大 的 開 通 損 耗 。 利 用 此 技 術(shù) ， 開 通 過 程 的 電 流 峰 值 可 以 控 制 在 任 意 值 。    由 以 上 分 析 可 知 ， 柵 極 串 聯(lián) 電 阻 和 驅(qū) 動(dòng) 電 路 內(nèi)

37、阻 抗 對(duì) IGBT的 開 通 過 程 影 響 較 大 ， 而 對(duì) 關(guān) 斷 過 程 影 響 小 一 些 ， 串 聯(lián) 電 阻 小 有 利 于 加 快 關(guān) 斷 速 率 ， 減 小 關(guān) 斷 損 耗 ， 但 過 小 會(huì) 造 成 di/dt過 大 ， 產(chǎn) 生 較 大 的 集 電 極 電 壓 尖 峰 。 因 此 對(duì) 串 聯(lián) 電 阻 要 根 據(jù) 具 體 設(shè) 計(jì) 要 求 進(jìn) 行 全 面 綜 合 的 考 慮 。    柵 極 電 阻 對(duì) 驅(qū) 動(dòng) 脈 沖 的 波 形 也 有 影 響 。 電 阻 值 過 小 時(shí) 會(huì) 造 成 脈 沖 振 蕩 ， 過 大 時(shí) 脈 沖 波 形 的 前 后 沿

38、 會(huì) 發(fā) 生 延 遲 和 變 緩 。 IGBT的 柵 極 輸 入 電 容 Cge隨 著 其 額 定 電 流 容 量 的 增 加 而 增 大 。 為 了 保 持 相 同 的 驅(qū) 動(dòng) 脈 沖 前 后 沿 速 率 ， 對(duì) 于 電 流 容 量 大 的 IGBT器 件 ， 應(yīng) 提 供 較 大 的 前 后 沿 充 電 電 流 。 為 此 ， 柵 極 串 聯(lián) 電 阻 的 電 阻 值應(yīng) 隨 著 IGBT電 流 容 量 的 增 加 而 減 小 。4 IGBT的 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

39、 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 。    圖 3為 采 用 光 耦 合 器 等 分 立 元 器 件 構(gòu) 成 的 IGBT驅(qū) 動(dòng) 電 路 。 當(dāng) 輸 入 控 制 信 號(hào) 時(shí) ， 光 耦 VLC導(dǎo) 通 ， 晶 體 管 V2截 止 ， V3導(dǎo) 通 輸 出 15 V驅(qū) 動(dòng) 電 壓 。 當(dāng) 輸 入 控 制 信 號(hào) 為 零 時(shí) ， VLC截 止 ， V2、 V4導(dǎo) 通 ， 輸 出 10 V電 壓 。 15 V

40、和 10 V電 源 需 靠 近 驅(qū) 動(dòng) 電 路 ， 驅(qū) 動(dòng) 電 路 輸 出 端 及 電 源 地 端 至 IGBT柵 極 和 發(fā) 射 極 的 引 線 應(yīng) 采 用 雙 絞 線 ， 長 度 最 好 不 超 過 0.5 m。     圖 4為 由 集 成 電 路 TLP250構(gòu) 成 的 驅(qū) 動(dòng) 器 。 TLP250內(nèi) 置 光 耦 的 隔 離 電 壓 可 達(dá) 2 500 V， 上 升 和 下 降 時(shí) 間 均 小 于 0.5 s， 輸 出 電 流 達(dá) 0.5 A， 可 直 接 驅(qū) 動(dòng) 50 A/1 200 V以 內(nèi) 的 IGBT。 外 加 推 挽 放 大 晶 體 管 后 ，

41、可 驅(qū) 動(dòng) 電 流 容 量 更 大 的 IGBT。 TLP250構(gòu) 成 的 驅(qū) 動(dòng) 器 體 積 小 ， 價(jià) 格 便 宜 ， 是 不 帶 過 流 保 護(hù) 的 IGBT驅(qū) 動(dòng) 器 中 較 理 想 的 選 擇 。 5 IGBT的 過 流 保 護(hù)    IGBT的 過 流 保 護(hù) 電 路 可 分 為 2類 ： 一 類 是 低 倍 數(shù) 的 （ 1.2 1.5倍 ） 的 過 載 保 護(hù) ； 一 類 是 高 倍 數(shù) （ 可 達(dá) 8 10倍 ） 的 短 路 保 護(hù) 。    對(duì) 于 過 載 保 護(hù) 不 必 快 速 響 應(yīng) ， 可 采 用 集 中 式

42、保 護(hù) ， 即 檢 測 輸 入 端 或 直 流 環(huán) 節(jié) 的 總 電 流 ， 當(dāng) 此 電 流 超 過 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 載 電 流 保 護(hù) ， 一 旦 動(dòng) 作 后 ， 要 通 過 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

43、。 如 飽 和 壓 降 小 于 2 V的 IGBT允 許 承 受 的 短 路 時(shí) 間 小 于 5 s， 而 飽 和 壓 降 3 V的 IGBT允 許 承 受 的 短 路 時(shí) 間 可 達(dá) 15 s， 4 5 V時(shí) 可 達(dá) 30 s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)

44、斷 和 降 柵 壓 2種 。 軟 關(guān) 斷 指 在 過 流 和 短 路 時(shí) ， 直 接 關(guān) 斷 IGBT。 但 是 ， 軟 關(guān) 斷 抗 騷 擾 能 力 差 ， 一 旦 檢 測 到 過 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 騷 擾 能 力 ， 可 在 故 障 信 號(hào) 與 啟 動(dòng) 保 護(hù) 電 路 之 間 加 一 延 時(shí) ， 不 過 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) 了

45、， 器 件 仍 然 壞 了 。    降 柵 壓 旨 在 檢 測 到 器 件 過 流 時(shí) ， 馬 上 降 低 柵 壓 ， 但 器 件 仍 維 持 導(dǎo) 通 。 降 柵 壓 后 設(shè) 有 固 定 延 時(shí) ， 故 障 電 流 在 這 一 延 時(shí) 期 內(nèi) 被 限 制 在 一 較 小 值 ， 則 降 低 了 故 障 時(shí) 器 件 的 功 耗 ， 延 長 了 器 件 抗 短 路 的 時(shí) 間 ， 而 且 能 夠 降 低 器 件 關(guān) 斷 時(shí) 的 di/dt， 對(duì) 器 件 保 護(hù) 十 分 有 利 。 若 延 時(shí) 后 故 障 信 號(hào) 依 然 存 在 ， 則 關(guān) 斷 器 件 ， 若 故 障

46、 信 號(hào) 消 失 ， 驅(qū) 動(dòng) 電 路 可 自 動(dòng) 恢 復(fù) 正 常 的 工 作 狀 態(tài) ， 因 而 大 大 增 強(qiáng) 了 抗 騷 擾 能 力 。    上 述 降 柵 壓 的 方 法 只 考 慮 了 柵 壓 與 短 路 電 流 大 小 的 關(guān) 系 ， 而 在 實(shí) 際 過 程 中 ， 降 柵 壓 的 速 度 也 是 一 個(gè) 重 要 因 素 ， 它 直 接 決 定 了 故 障 電 流 下 降 的 di/dt。 慢 降 柵 壓 技 術(shù) 就 是 通 過 限 制 降 柵 壓 的 速 度 來 控 制 故 障 電 流 的 下 降 速 率 ， 從 而 抑 制 器 件 的 dv/dt和

47、 uce的 峰 值 。 圖 5給 出 了 實(shí) 現(xiàn) 慢 降 柵 壓 的 具 體 電 路 。     正 常 工 作 時(shí) ， 因 故 障 檢 測 二 極 管 VD1的 導(dǎo) 通 ， 將 a點(diǎn) 的 電 壓 鉗 位 在 穩(wěn) 壓 二 極 管 VZ1的 擊 穿 電 壓 以 下 ， 晶 體 管 VT1始 終 保 持 截 止 狀 態(tài) 。 V1通 過 驅(qū) 動(dòng) 電 阻 Rg正 常 開 通 和 關(guān) 斷 。 電 容 C2為 硬 開 關(guān) 應(yīng) 用 場 合 提 供 一 很 小 的 延 時(shí) ， 使 得 V1開 通 時(shí) uce有 一 定 的 時(shí) 間 從 高 電 壓 降 到 通 態(tài) 壓 降 ， 而 不

48、 使 保 護(hù) 電 路 動(dòng) 作 。    當(dāng) 電 路 發(fā) 生 過 流 和 短 路 故 障 時(shí) ， V1上 的 uce上 升 ， a點(diǎn) 電 壓 隨 之 上 升 ， 到 一 定 值 時(shí) ， VZ1擊 穿 ， VT1開 通 ， b點(diǎn) 電 壓 下 降 ， 電 容 C1通 過 電 阻 R1充 電 ， 電 容 電 壓 從 零 開 始 上 升 ， 當(dāng) 電 容 電 壓 上 升 到 約 1.4V時(shí) ， 晶 體 管 VT2開 通 ， 柵 極 電 壓 uge隨 電 容 電 壓 的 上 升 而 下 降 ， 通 過 調(diào) 節(jié) C1的 數(shù) 值 ， 可 控 制 電 容 的 充 電 速 度 ， 進(jìn)

49、而 控 制 uge的 下 降 速 度 ； 當(dāng) 電 容 電 壓 上 升 到 穩(wěn) 壓 二 極 管 VZ2的 擊 穿 電 壓 時(shí) ， VZ2擊 穿 ， uge被 鉗 位 在 一 固 定 的 數(shù) 值 上 ， 慢 降 柵 壓 過 程 結(jié) 束 ， 同 時(shí) 驅(qū) 動(dòng) 電 路 通 過 光 耦 輸 出 過 流 信 號(hào) 。 如 果 在 延 時(shí) 過 程 中 ， 故 障 信 號(hào) 消 失 了 ， 則 a點(diǎn) 電 壓 降 低 ， VT1恢 復(fù) 截 止 ， C1通 過 R2放 電 ， d點(diǎn) 電 壓 升 高 ， VT2也 恢 復(fù) 截 止 ， uge上 升 ， 電 路 恢 復(fù) 正 常 工 作 狀 態(tài) 。6 IGBT開 關(guān) 過 程

50、中 的 過 電 壓    關(guān) 斷 IGBT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/ s。 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 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) 而 損 壞 。 所 以 從 關(guān) 斷 的 角 度 考 慮 ， 希 望 主 電 路 的 電 感 和 電 流 下 降 率 越 小 越 好 。 但 對(duì) 于 IGBT的 開 通 來 說 ， 集 電 極 電 路 的 電 感 有 利 于 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 通 損 耗 ， 承 受 較 高 的 開 通 電 流 上 升 率 。 一 般 情 況 下 IGB