詳解IGBT模塊驅動以及相應保護技術

圖5 實現慢降柵壓的電路

正常工作時，因故障檢測二極管VD1的導通， 將a點的電壓鉗位在穩壓二極管VZ1的擊穿電壓以下，晶體管VT1始終保持截止狀態。V1通過驅動電阻Rg正常開通和關斷。電容C2為硬開關應用場合提供一很小的延時，使得V1開通時uce有一定的時間從高電壓降到通態壓降，而不使保護電路動作。

當電路發生過流和短路故障時，V1上的uce 上升，a點電壓隨之上升，到一定值時，VZ1擊穿，VT1開通，b點電壓下降，電容C1通過電阻R1充電，電容電壓從零開始上升，當電容電壓上升到約 1.4V時，晶體管VT2開通，柵極電壓uge隨電容電壓的上升而下降，通過調節C1的數值，可控制電容的充電速度，進而控制uge的下降速度；當電容電壓上升到穩壓二極管VZ2的擊穿電壓時，VZ2擊穿，uge被鉗位在一固定的數值上，慢降柵壓過程結束，同時驅動電路通過光耦輸出過流信號。如果在延時過程中，故障信號消失了，則a點電壓降低，VT1恢復截止，C1通過R2放電，d點電壓升高，VT2也恢復截止，uge上升，電路恢復正常工作狀態。

IGBT開關過程中的過電壓

關斷IGBT時，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，如不采取軟關斷措施，它的臨界電流下降率將達到數kA/μs。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應出較高的過電壓，導致IGBT關斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區而損壞。所以從關斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續流二極管的反向恢復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IGBT開關電路的集電極不需要串聯電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅動條件來加以控制。

IGBT的關斷緩沖吸收電路

為了使IGBT關斷過電壓能得到有效的抑制并減小關斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設置關斷緩沖吸收電路。IGBT的關斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型。

(a)RC型 (b)RCD型

圖 6 充 放 電 型 IGBT緩 沖 吸 收 電 路

充放電型有RC吸收和RCD吸收2種。如圖6所示。 RC吸收電路因電容C的充電電流在電阻R上產生壓降，還會造成過沖電壓。RCD電路因用二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過沖電壓。

(a)LC型 (b)RLCD型 (c)RLCD型

圖7 三 種 放 電 阻 止 型 吸 收 電 路

圖7是三種放電阻止型吸收電路。放電阻止型緩沖電路中吸收電容Cs的放電電壓為電源電壓，每次關斷前，Cs僅將上次關斷電壓的過沖部分能量回饋到電源，減小了吸收電路的功耗。因電容電壓在IGBT關斷時從電源電壓開始上升，它的過電壓吸收能力不如RCD型充放電型。從吸收過電壓的能力來說，放電阻止型吸收效果稍差，但能量損耗較小。

對緩沖吸收電路的要求是：

1)盡量減小主電路的布線電感La；

2)吸收電容應采用低感吸收電容，它的引線應盡量短，最好直接接在IGBT的端子上；

3)吸收二極管應選用快開通和快軟恢復二極管，以免產生開通過電壓和反向恢復引起較大的振蕩過電壓。

結語

本文對IGBT的驅動和保護技術進行了詳細的分析，得出了設計時應注意幾點事項：

1、IGBT由于有集電極-柵極寄生電容的密勒效應影響，能引起意外的電壓尖峰損害，所以設計時應讓柵極電路的阻抗足夠低以盡量消除其負面影響。

2、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。所以設計時應綜合考慮。

3、應采用慢降柵壓技術來控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和uce的峰值，達到短路保護的目的。