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IGBT通電原理闡述及使用注意

1）IGBT對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的特殊要求IGBT的驅(qū)動(dòng)電路在它的應(yīng)用中有著特別重要的作用，IGBT應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一是驅(qū)動(dòng)電路的合理設(shè)計(jì)。由于IGBT的開關(guān)特性何**工作區(qū)隨柵極驅(qū)動(dòng)電路的變化而變化，因而驅(qū)動(dòng)電路性能不好，常常造成IGBT的損壞。IGBT通常采用柵極電壓驅(qū)動(dòng)，與其他全控型器件一樣，IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有許多特殊的要求。概括起來有：
1）柵極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的上升率和下降率要充分大。在IGBT開通時(shí)，前沿很陡的柵極電壓加到其柵極G與發(fā)射極E之間，使IGBT快速開通，達(dá)到開通時(shí)間*短，以減小開通損耗的效果。在IGBT關(guān)斷時(shí)，其柵極驅(qū)動(dòng)電路要提供IGBT一下降沿很陡的關(guān)斷電壓，并給IGBT的柵極G與發(fā)射極E之間施加一適當(dāng)?shù)姆聪蜇?fù)偏電壓，以使IGBT快速關(guān)斷，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小關(guān)斷損耗。
2）在IGBT導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要具有足夠的幅度。該幅度應(yīng)能維持IGBT的功率輸出級(jí)總是處于飽和狀態(tài)，當(dāng)IGBT瞬時(shí)過載時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)而損壞。
3）柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的正向驅(qū)動(dòng)電壓+VGE值越高越好。其原因在于，在負(fù)載短路過程中，IGBT的集電極電流也隨著+VGE的增加而增加，并使IGBT承受短路損壞的脈寬變窄，如|+VGE|>20V（即使是浪涌電壓），也會(huì)引起IGBT的損壞。因此在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的正向驅(qū)動(dòng)電壓+VGE要取合適的值，特別是在具有短路工作過程的設(shè)備中使用IGBT時(shí)，其正向驅(qū)動(dòng)電壓+VGE更應(yīng)選擇其所需要的*小值?，F(xiàn)已證明，開關(guān)應(yīng)用的IGBT的柵極電壓以+15～10V為*佳。
4）IGBT在關(guān)斷過程中，柵-射極施加的反偏壓有利于IGBT的快速關(guān)斷，但反向負(fù)偏壓-VGE受IGBT柵-射極之間反向*大耐壓的限制，過大的反向電壓亦會(huì)造成IGBT柵-射極的反向擊穿，所以-VGE也應(yīng)取合適的值（此值一般為-2～-10V）
5）雖說IGBT的快速開通和關(guān)斷有利于縮短開關(guān)時(shí)間和減小開關(guān)損耗，但過快的開通和關(guān)斷，在大電感負(fù)載情況下，反而是有害的。其原因在于大電感負(fù)載隨著IGBT的超速開通和關(guān)斷，將在電路中產(chǎn)生高頻幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓Ldi/dt，該尖峰電壓應(yīng)用常規(guī)的過電壓吸收電路是吸收不掉的，因而有可能造成IGBT自身或電路中其他元器件因過電壓擊穿而損壞，所以在大電感負(fù)載條件下，IGBT的開關(guān)時(shí)間也不能過分短，其值應(yīng)根據(jù)電路中所有元器件耐受dv/dt的能力及IGBT自身的dv/dt吸收電路性能綜合考慮。
6）由于IGBT內(nèi)寄生晶體管、寄生電容的存在，使柵極驅(qū)動(dòng)與IGBT損壞時(shí)的脈寬有密切的關(guān)系。同時(shí)柵極信號(hào)受流過IGBT輸出級(jí)晶體管集電極電流的影響，這就要求在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)合理地處理這些關(guān)系。
7）由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場(chǎng)合，所以驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。
8）IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)單、實(shí)用，*好自身帶有對(duì)被驅(qū)動(dòng)IGBT的完整保護(hù)能力，并且有很強(qiáng)的抗干擾性能，且輸出阻抗應(yīng)盡可能地低。
9）柵極驅(qū)動(dòng)電路與IGBT之間的配線，由于柵極信號(hào)的高頻變化很容易互相干擾，為防止造成同一個(gè)系統(tǒng)多個(gè)IGBT中某個(gè)的誤導(dǎo)通，因此要求柵極配線走向應(yīng)與主電流線盡可能遠(yuǎn)，且不要將多個(gè)IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)線捆扎在一起，同時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電路到IGBT模塊柵-射極的引線盡可能地短，引線應(yīng)采用絞線或同軸電纜屏蔽線，并從柵極直接接到被驅(qū)動(dòng)IGBT柵-射極，*好采取焊接的方法。
10）在IGBT通斷時(shí)，其輸入電容要放電與充電，因而當(dāng)使用IGBT作為高速開關(guān)時(shí)，應(yīng)特別注意這些問題。
11)在同一電力電子設(shè)備中，使用多個(gè)不等電位的IGBT時(shí)，為了解決電位隔離的問題，應(yīng)使用光隔離器。光隔離器一定要使用高速且抗噪聲性能強(qiáng)的產(chǎn)品。
（2）IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿足的條件柵極驅(qū)動(dòng)條件與IGBT的特性密切相關(guān)。設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)特別注意開通特性、負(fù)載短路能力和dVce/dt引起的誤觸發(fā)問題。
正偏置電壓+VGE增加，通態(tài)電壓下降，開通損耗Eon也下降。由此看出，如+VGE固定不變時(shí)，導(dǎo)通電壓將隨集電極增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫升高而升高。
負(fù)偏置電壓-VGE直接影響IGBT的可靠運(yùn)行。負(fù)偏置電壓增高時(shí)，集電極浪涌電流明顯下降，對(duì)關(guān)斷能耗無顯著影響。
柵極電阻RG增加，將使IGBT的開通和關(guān)斷時(shí)間增加，因而使開通和關(guān)斷能耗均增加。而柵極電阻減小，則又使dic/dt增高，可能引發(fā)IGBT誤導(dǎo)通，同時(shí)RG上的損耗也有所增加。
但RG增大會(huì)使IGBT的開關(guān)時(shí)間增加，進(jìn)而使開關(guān)損耗增加。因此，應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率的不同，選擇合適的RG阻值，一般應(yīng)選RG在十幾歐幾百歐之間。
（3）柵極串聯(lián)電阻及柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率對(duì)IGBT的開通和關(guān)斷過程有較大的影響。
IGBT的MOS溝道受柵極驅(qū)動(dòng)電壓直接控制，而MOSFET部分的漏極電流又控制著雙極部分的基極電流，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)電壓波形的影響較大。
IGBT的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少數(shù)載流子的復(fù)合速率。少數(shù)載流子的復(fù)合受MOSFET部分的關(guān)斷影響，使得柵極驅(qū)動(dòng)對(duì)IGBT的關(guān)斷也有一定的影響。柵極驅(qū)動(dòng)回路的阻抗會(huì)延長(zhǎng)密勒效應(yīng)時(shí)間，使集電極電流的下降延遲。
柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，包括柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗和柵極串聯(lián)電阻兩個(gè)部分。它們影響著驅(qū)動(dòng)波形的上升、下降速率。載高頻應(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的開關(guān)速度，并降低開關(guān)損耗。在運(yùn)行頻率較低時(shí)，開關(guān)損耗占比例較小，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率可減慢些。
在正常狀態(tài)下，IGBT開通越快，開通損耗也越小。但在開通過程中，如存在續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容器的放電電流，則開通越快，IGBT承受的峰值電流也就越大，甚至急劇地上升，導(dǎo)致IGBT或續(xù)流二極管損壞。此時(shí)應(yīng)有目的地降低柵極驅(qū)動(dòng)脈沖的峰值。其代價(jià)是要付出較大的開通損耗。利用此技術(shù)，開通過程中的峰值電流可以通過改變柵極串聯(lián)電阻控制在任意要求的值。
由以上分析可見，柵極串聯(lián)電阻IGBT的開通過程的影響相當(dāng)于開通來說要小一些。柵極串聯(lián)電阻小，有利于加快關(guān)斷速度和減小關(guān)斷損耗，也有利于避免關(guān)斷時(shí)集電極電壓的dv/dt造成IGBT誤開通。但柵極串聯(lián)電阻過小，會(huì)由于集電極電流下降的di/dt過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰，因此對(duì)于IGBT關(guān)斷過程中的柵極串聯(lián)電阻的阻值也需折衷考慮。
柵極串聯(lián)電阻阻值對(duì)于驅(qū)動(dòng)脈沖的波形也有較大的影響，電阻值過小時(shí)會(huì)造成驅(qū)動(dòng)脈沖振蕩，過大時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形的前、后沿會(huì)發(fā)生延遲和變緩。IGBT的輸入電容CGE隨著其額定電流容量的增大而增大。為了保持相同的驅(qū)動(dòng)脈沖前、后沿速率，對(duì)于電流容量的增加而減小。IGBT的柵極串聯(lián)電阻通常采用推薦的值，如工作頻率較低，也可采用前一檔電阻值較大的值。
（4）驅(qū)動(dòng)電路舉例
1）應(yīng)用脈沖變壓器直接驅(qū)動(dòng)功率IGBT：這種驅(qū)動(dòng)電路的工作原理是：來自控制脈沖形成單元的脈沖信號(hào)經(jīng)高頻晶體管V進(jìn)行功率放大后加到脈沖變壓器上，由脈沖變壓器隔離耦合、穩(wěn)壓管VS1和VS2限幅后來驅(qū)動(dòng)IGBT。它的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用廉價(jià)的脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)了被驅(qū)動(dòng)IGBT與控制脈沖形成部分的隔離。驅(qū)動(dòng)級(jí)不需要專門的直流電源，簡(jiǎn)化了電源結(jié)構(gòu)，同時(shí)脈沖變壓器傳輸脈沖的頻率可以較高（一般高達(dá)100kHz左右）。加之整個(gè)電路工作頻率較高，IGBT自身所需驅(qū)動(dòng)電流又很小，所以脈沖變壓器的體積可以做得很小，穩(wěn)壓管VS1、VS2的引入限制了加到被驅(qū)動(dòng)功率IGBT柵極G與發(fā)射極E之間的正、反向電壓，防止了過高的VGE電壓損壞被驅(qū)動(dòng)功率IGBT的控制絕緣柵。其不足表現(xiàn)在：高頻脈沖變壓器因漏感及基膚效應(yīng)的存在較難繞制，且因漏感的存在容易出現(xiàn)VGE振蕩。為了限制振蕩，常常需增加?xùn)艠O電阻RG，這就影響了柵極驅(qū)動(dòng)脈沖前、后沿的陡度，降低了可應(yīng)用的*高頻率，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路自身不能對(duì)驅(qū)動(dòng)IGBT進(jìn)行欠飽和、過飽和及電流等保護(hù)。
2）采用分立式驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)IGBT：它的工作原理是：正常情況下，由于來自電流取樣環(huán)節(jié)BHL元件輸出的信號(hào)小于比較器A反相端整定的門檻值，比較器A輸出低電平，光耦合器VLC2不導(dǎo)通，反相器D輸出高電平，封鎖脈沖功能不起作用。當(dāng)控制脈沖由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，光耦合器VLC1輸出低電平，由4011型CMOS集成四與非門電路組成的整形電路輸出高電平，V1截至、V2導(dǎo)通，電容C2給IGBT的GE結(jié)施以方向電壓，使其快速關(guān)斷；反之，當(dāng)控制脈沖由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，VLC1輸出高電平，4011輸出低電平，V1導(dǎo)通、V2截至，提供IGBT導(dǎo)通時(shí)GE結(jié)所需的正向電壓，使IGBT快速導(dǎo)通。一旦發(fā)生過電流，則A輸出高電平，并經(jīng)二極管VD自保，光耦合器VL2導(dǎo)通，并輸出低電平，直接從末級(jí)驅(qū)動(dòng)電路和脈沖形成部分封鎖掉控制脈沖。該驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：自身帶有過電流保護(hù)功能，光耦合器VLC1的引入，提高了柵極驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電路與脈沖形成部分的隔離；互補(bǔ)晶體管V1、V2的引入，降低了驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗；電阻R1、R2及電容C1、C2的引入，使用戶可方便地對(duì)被驅(qū)動(dòng)IGBT的正、反向驅(qū)動(dòng)點(diǎn)頭進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足了不同IGBT對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路輸出的+VGE和-VGE的要求。其缺點(diǎn)是：受光耦合器VLC1傳輸速度的影響，其工作頻率不能很高，一般用高速光耦合器也僅能達(dá)到10～20kHz，且應(yīng)用分立元器件較多，抗干擾能力較差。同時(shí)受4011*高工作電源電源的限制，使提供給IGBT柵極與發(fā)射極間正。反向電壓幅度相互牽制，并受到了限制，何況柵極驅(qū)動(dòng)電路又不能對(duì)被驅(qū)動(dòng)IGBT進(jìn)行欠飽和、過飽和及驅(qū)動(dòng)級(jí)電源電壓監(jiān)控等保護(hù)。
3）由于IGBT以MOSEFT為輸入級(jí)，所以MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路同樣適用于IGBT：為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式。為了消除可能出現(xiàn)的振蕩.現(xiàn)象，IGBT的柵-射極間接由RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器，并且連接線采用雙絞線方式。
4）由分立元器件構(gòu)成的具有VGS保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路：IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備兩個(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、微分變壓器及光耦合器。脈沖變壓器由于體積較大、輸出脈沖波形不夠理想，較少采用。采用光耦合器構(gòu)成的分立元器件IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí)。當(dāng)輸入控制信號(hào)時(shí)，光耦合器VLC導(dǎo)通，晶體管V1截至，V2導(dǎo)通，輸入+15V驅(qū)動(dòng)電壓。輸入信號(hào)為零時(shí)，VLC截至，V1、V3導(dǎo)通，輸出-10V電壓。+15V和-10V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柵極和射極的引線應(yīng)采用雙絞線，長(zhǎng)度*好不超過0.5m.對(duì)于75A、1200V以內(nèi)的IGBT，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)能提供峰值電流為1A的充放電電流，對(duì)150A、1200V及300A、1200V的IGBT，則需分別提供2A及4A的峰值電流。驅(qū)動(dòng)電路中VLC、V1、V2及V3均需采用快速開關(guān)管，使輸出脈沖的延遲加上升時(shí)間及延遲加下降時(shí)間均小于1.5μs。

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