IGBT模块驱动及保护技术

摘要：对IGBT栅极驱动特性、栅极串联电阻及其驱动电路进行了探讨。提出了慢降栅压过流保护和过电压吸收的有效方法。

关键词：开关电源；绝缘栅双极晶体管；驱动保护

Technology of Drive ＆ Protection Circuit for IGBT Module

JIANG Huai-gang, LI Qiao, HE Zhi-wei

Abstract:The gate drive characteristic,the gate series resistance and the drive circuit of IGBT are discussed,and the technique of overcurrent protection by reducing gate voltage slowly is presented.It is also given that effective protective method of overvoltage.

Keywords:Switching power supply; IGBT; Driving protection

中图分类号：TN386 文献标识码：A 文章编号：0219－2713(2003)04－0132－05

1 引言

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。

2 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C_ge和C_gc，以及发射极驱动电路中存在有分布电感L_e，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。

(a)等 效 电 路 (b)开 通 波 形

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u_ge上升斜率的主要因素只有R_g和C_ge，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u_ge波形偏离原有的轨迹。

首先，发射极电路中的分布电感L_e上的感应电压随着集电极电流i_c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u_ge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C_gc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C_gc开始放电，在驱动电路中增加了C_gc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，u_ce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，i_c达到稳态值，影响栅极电压u_ge的因素消失后，u_ge以较快的上升率达到最大值。

由图1波形可看出，由于L_e和C_gc的存在，在IGBT的实际运行中u_ge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L_e和C_gc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，u_ce开始上升，此时，栅极－集电极间电容C_gc的密勒效应支配着u_ce的上升，因C_gc耦合充电作用，u_ge在t₁－t₂期间基本不变，在t₂时刻u_ge和i_c开始以栅极－发射极间固有阻抗所决定的速度下降，在t₃时，u_ge及i_c均降为零，关断结束。

由图2可看出，由于电容C_gc的存在，使得IGBT的关断过程也延长了许多。为了减小此影响，一方面应选择C_gc较小的IGBT器件；另一方面应减小驱动电路的内阻抗，使流入C_gc的充电电流增加，加快了u_ce的上升速度。

图 2 IGBT关 断 时 的 波 形

在实际应用中，IGBT的u_ge幅值也影响着饱和导通压降：u_ge增加，饱和导通电压将减小。由于饱和导通电压是IGBT发热的主要原因之一，因此必须尽量减小。通常u_ge为15～18V，若过高，容易造成栅极击穿。一般取15V。IGBT关断时给其栅极－发射极加一定的负偏压有利于提高IGBT的抗骚扰能力，通常取5～10V。

3 栅极串联电阻对栅极驱动波形的影响

栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT开通关断过程有着较大的影响。IGBT的MOS沟道受栅极电压的直接控制，而MOSFET部分的漏极电流控制着双极部分的栅极电流，使得IGBT的开通特性主要决定于它的MOSFET部分，所以IGBT的开通受栅极驱动波形的影响较大。IGBT的关断特性主要取决于内部少子的复合速率，少子的复合受MOSFET的关断影响，所以栅极驱动对IGBT的关断也有影响。

在高频应用时，驱动电压的上升、下降速率应快一些，以提高IGBT开关速率降低损耗。

在正常状态下IGBT开通越快，损耗越小。但在开通过程中如有续流二极管的反向恢复电流和吸收电容的放电电流，则开通越快，IGBT承受的峰值电流越大，越容易导致IGBT损害。此时应降低栅极驱动电压的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，抑制该电流的峰值。其代价是较大的开通损耗。利用此技术，开通过程的电流峰值可以控制在任意值。

由以上分析可知，栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开通过程影响较大，而对关断过程影响小一些，串联电阻小有利于加快关断速率，减小关断损耗，但过小会造成di/dt过大，产生较大的集电极电压尖峰。因此对串联电阻要根据具体设计要求进行全面综合的考虑。

栅极电阻对驱动脉冲的波形也有影响。电阻值过小时会造成脉冲振荡，过大时脉冲波形的前后沿会发生延迟和变缓。IGBT的栅极输入电容C_ge随着其额定电流容量的增加而增大。为了保持相同的驱动脉冲前后沿速率，对于电流容量大的IGBT器件，应提供较大的前后沿充电电流。为此，栅极串联电阻的电阻值应随着IGBT电流容量的增加而减小。