對IGBT驅(qū)動的理解

　　IGBT器件如何開通和關(guān)閉，速度是快是慢，其實到如今為止，并沒有一個明確結(jié)論，最終取決實際應(yīng)用環(huán)境。

　　一、先說開通。

　　誰都知道，理論上開通速度越快，越早進入飽和去，開關(guān)損耗越小。收到實際條件所限，開通速度不能做的太快。

　　1、柵極雜散電感影響

　　此電感普遍存在，特別是使用磁耦合的驅(qū)動電路尤其明顯。它與柵極電容產(chǎn)生諧振，增加Rg，可以緩解此現(xiàn)象。無論是Lgs，還是Rg，都會影響開通速度，增加開關(guān)損耗。圖1。

　　圖1 IGBT柵極驅(qū)動

　　2、實際電路影響

　　使用合理電路，降低Lgs影響，將Rg選擇的很小，是否就解決了問題了呢？還沒有，如圖2，應(yīng)用于雙管正激的拓撲。

　　圖2 應(yīng)用于雙管正激的IGBT

　　由于變壓器漏感Lts、磁復(fù)位引線電感Lds的存在，過高的di/dt，將造成過高的Vce（與Cce產(chǎn)生振蕩）。這些電感是很難預(yù)測的，為了提高性能，從布線上都是不斷降低它們。能量的降低使得Vce收到限制。如果不能完全解決此問題，需要增加吸收。如圖3吸收的一種。額外增加的電路需要靠近IGBT根部，否則有害無用。吸收的增加增加了損耗，它是否可以抵消由于開通速度的加快造成的影響，需要實際驗證。

　　圖3 RCD吸收

　　（單）雙管正激是硬開關(guān)拓撲中，開通速度最快的一種，對應(yīng)其它拓撲，比如橋式，情況更加糟糕。對于軟開關(guān)，尤其是電壓軟開關(guān)，增加開通速度是很好的選擇。

　　二、再說關(guān)閉。

　　關(guān)閉速度快慢對IGBT關(guān)閉損耗影響不大。

　　有人說，快速關(guān)閉使dv/dt高，會毀壞IGBT。那看什么條件，只有很高dv/dt，IGBT開關(guān)速度跟不上時成立。小了只是負反饋作用，增加驅(qū)動上流過的電流而已。由于IGBT、母線上往往有吸收，速度受限。不易產(chǎn)生高dv/dt。真有這么高的dv/dt時，只要驅(qū)動電路輸出阻抗足夠低，并不會毀壞柵極。

　　再有，筆者十幾年從沒有見過由于dv/dt過高造成IGBT失效現(xiàn)象，此種只在理論上成立的假設(shè)不要再考慮了。

　　真實原因是：由于IGBT是少子器件，他不能通過關(guān)閉門極來達到快速關(guān)閉IGBT目的。因此快速關(guān)閉對它無用。

　　三、說一說驅(qū)動負偏壓

　　只要控制制好母線電壓瞬態(tài)過沖，IGBT負偏壓不是必須。選擇合理的功率拓撲，比如零流諧振變換器，可以最大限度降低對母線影響。

　　與MOSFET一樣，負偏壓可以防止母線過高dv/dt造成門極誤導(dǎo)通。筆者說過本人十幾年從沒有見過由于dv/dt過高造成IGBT失效，主要是指對門極影響。

　　門極驅(qū)動往往是低阻抗負載，尤其是有源驅(qū)動器，阻抗很低，抗干擾能力很強。負偏壓選擇-5V足以，當然選擇-15V未嘗不可。更高負偏壓會增加驅(qū)動損耗。

　　四、再論過流保護

　　1、高頻變換（不直接接負載）

　　在設(shè)計電路過程中，在IGBT選擇上，幾乎都會在電流上留有余量，而保護點也往往低于IGBT的額定值。所謂3段式保護只在大于2倍額定電流作用較好。在2倍額定電流保護內(nèi)最好是直接關(guān)閉。不僅反映速度快，而且可以逐個脈沖限流。真要是用它的保護，不僅延時時間長，而且由于關(guān)閉損耗大，連續(xù)工作要不了多久不壞才怪。

　　市面上幾乎所有的IGBT驅(qū)動器都大肆宣揚所謂3段式保護，可惜在實際應(yīng)用中，除非你是作為負載開關(guān)使用，此功能基本無用。即便是作為負載開關(guān)，如果沒有一定條件限制，保護功能也形同虛設(shè)。

　　因此，除非你設(shè)計有缺陷，否則，3段式保護無用。

　　2、負載開關(guān)

　　IGBT作為負載開關(guān)使用時，過流保護復(fù)雜得多。IGBT輸出電流取決于門極驅(qū)動電壓。3段式保護只在大于2倍額定電流作用較好。門極驅(qū)動電壓太高時，使得短路電流過大，由于存在閂鎖現(xiàn)象，柵極關(guān)閉不起作用。因此驅(qū)動電壓不要太高，不要過度追求導(dǎo)通壓降。使得3段式過流保護不起作用。一般閂鎖現(xiàn)象在輸出電流大于5倍額定電流時有可能出現(xiàn)，因此如果想可靠使用3段式過流保護，電流保護點最好小于此點。

　　但確定柵極電壓與短路電流的關(guān)系幾乎是不可能的。作為負載開關(guān)，限制電流上升率是一個非常好的措施，它同時限制了短路時間。使短路保護可以有多種選擇，除了3段式保護（本質(zhì)上是緩關(guān)閉），直接快速關(guān)閉也可行。

　　在電流小于2倍額定電流時，采用直接快速關(guān)閉的方法更有效。假設(shè)400V，100A負載開關(guān)，選擇300A的IGBT作為負載開關(guān)，1uH電感作為電流上升率限制。則：di/dt=400A/us。

　　設(shè)100A為保護點，電流小于2倍額定電流，則：允許關(guān)閉最大延時（2*300-100）/400=1.25us。此條件不難滿足。

　　即：為滿足快速關(guān)斷條件，IGBT容量選擇要足夠大，這樣換來更大的保護延時，更小的短路抑制電感。換句話說，如果將保護延時設(shè)計的很小，也可以降低短路抑制電感，降低IGBT容量。從而提高可靠性。還是上例，如果保護延時達到200ns則：實際電流關(guān)閉點：100+400*0.2=180A。如果不考慮導(dǎo)通損耗，采用100A的IGBT也可以滿足使用要求。

　　直接快速關(guān)閉沒有大量應(yīng)用的原因主要是因為驅(qū)動器的反應(yīng)速度不夠快。兼顧反應(yīng)速度和驅(qū)動能力的驅(qū)動器市場上極少。JD10系列可以在100ns內(nèi)關(guān)閉300A的IGBT，而關(guān)閉腳反映時間只有50ns，即便是在隔離驅(qū)動的前級關(guān)閉，也只有100ns延時。