IGBT模塊驅(qū)動(dòng)及保護(hù)技術(shù)的詳細(xì)資料說明

　　IGBT 是 MOSFET 和雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有 MOSFET 易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管高電壓、電流大等優(yōu)點(diǎn)。其特性發(fā)揮出 MOSFET 和功率晶體管各自的優(yōu)點(diǎn)，正常情況下可工作于幾十 kHz 的頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率應(yīng)用范圍中，其中中、大功率應(yīng)用占據(jù)了主導(dǎo)地位。

　　IGBT 是電壓控制型器件，在它的柵極發(fā)射極之間施加十幾 V 的直流電壓，只有 μA 級(jí)的電流流過，基本上不消耗功率。但 IGBT 的柵極發(fā)射極之間存在較大的寄生電容（幾千至上萬 pF），在驅(qū)動(dòng)脈沖的上升和下降沿需要提供數(shù) A 級(jí)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，存在著過流時(shí)可能發(fā)生閉鎖現(xiàn)象而造成損壞的問題。在過流時(shí)如采取一定的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化會(huì)引起過電壓，需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因此掌握好 IGBT 的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說是十分必要的。

　　IGBT 的柵極通過氧化膜和發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達(dá)到 20 到 30V，因此柵極擊穿是 IGBT 最常見的失效原因之一。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過最大額定柵極電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極-集電極之間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化膜損壞的振蕩電壓。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)小電阻可以抑制振動(dòng)電壓。

　　由于 IGBT 的柵極-發(fā)射極之間和柵極-集電極之間存在著分布電容，以及發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路中存在著分布電感，這些分布參數(shù)的影響，使 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，并且產(chǎn)生了不利于 IGBT 開通和關(guān)斷的因素。如圖 1 所示。

　　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)有兩個(gè)因素影響 Uge 波形偏離原來的軌跡。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的增大而加大，從而削弱了柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升，并且降低了柵極-發(fā)射極間的電壓上升率，減緩了集電極的電流增長(zhǎng)。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，Uce迅速下降使柵極集電極電容 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)電壓的進(jìn)一步上升。顯然，柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗越低，這種效應(yīng)越弱，此效應(yīng)一直維持到 t3 時(shí)刻，Uce降到 IGBT 的飽和電壓為止。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。

　　從圖 1 的波形可以看出，由于 Le和 Cge的存在，在 IGBT 的實(shí)際運(yùn)行中 Uge 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和柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻盡量的小，以獲得較快的開通速度。

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