摘要：為解決中、大功率等級IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)問題，本文提出了驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，在變流器極端工況下研究了IGBT的相關(guān)特性，提出了極端工況IGBT的保護(hù)措施，包括IGBT柵極電壓應(yīng)力防護(hù)、VCE電壓應(yīng)力抑制、過流與短路等工況的保護(hù)措施及工作原理。對電壓應(yīng)力抑制的關(guān)鍵方案：有源鉗位、高級有源鉗位、軟關(guān)斷等特性進(jìn)行理論分析，并給出解決實(shí)際問題的應(yīng)用電路。通過雙脈沖試驗(yàn)驗(yàn)證了文中提出的相關(guān)理論的科學(xué)性以及給出的解決方案的可行性。
引言
絕緣柵雙極型晶體管IGBT(insulated gate bipolar transistor)是一種將MOSFET(場效應(yīng)晶體管)和GTR(電力晶體管)集成于一體的復(fù)合型器件。IGBT以其優(yōu)良的開關(guān)特性、易于驅(qū)動(dòng)觸發(fā)、穩(wěn)定的熱性能、較高的電流承載能力、較高的阻斷電壓等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)車變流器、風(fēng)能、光伏、UPS、變頻器等領(lǐng)域。
IGBT在變流設(shè)備工作中承擔(dān)著功率變換和能量傳輸?shù)年P(guān)鍵作用。據(jù)有關(guān)工程應(yīng)用技術(shù)數(shù)據(jù)顯示，由于IGBT損壞而造成的各類變流設(shè)備發(fā)生故障的概率超過90%。因此，IGBT的安全可靠應(yīng)用問題已成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者及工程技術(shù)人員的研究熱點(diǎn)。IGBT的應(yīng)用可靠性問題，相當(dāng)大的比重在于其驅(qū)動(dòng)可靠性及其保護(hù)的設(shè)計(jì)。本文以IGBT驅(qū)動(dòng)為研究對象，從IGBT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)、柵極保護(hù)電路、電壓應(yīng)力防護(hù)以及過流與短路保護(hù)等方面展開，給出IGBT可靠驅(qū)動(dòng)的理論分析及電路解決方案。
1 IGBT驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)
變流設(shè)備的核心器件IGBT在功率變換中起著關(guān)鍵作用。IGBT本身的工作特性，直接影響著變流器的性能，而直接影響IGBT工作性能的驅(qū)動(dòng)電路，其設(shè)計(jì)的合理性也就決定變流器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
第一，IGBT驅(qū)動(dòng)電路要根據(jù)具體的IGBT參數(shù)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的功率，包括驅(qū)動(dòng)的平均功率與瞬時(shí)峰值功率。驅(qū)動(dòng)電路的功率直接決定其能否穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的IGBT，保證IGBT可靠開關(guān)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)電路的功率要根據(jù)IGBT具體規(guī)格而定，主要涉及柵極電荷QG。第二，IGBT的關(guān)斷電流拖尾效應(yīng)也是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)所要研究的問題之一。采用負(fù)向的柵源電壓可將IGBT快速關(guān)斷，從而防止電流拖尾效應(yīng)。負(fù)向的驅(qū)動(dòng)關(guān)斷電壓也可抑制米勒效應(yīng)，防止IGBT誤導(dǎo)通。第三，要保證IGBT低的通態(tài)損耗，就必須使其在安全導(dǎo)通時(shí)有較低的飽和壓降，這樣就要求較高的驅(qū)動(dòng)開通電壓，但不能超過其限值±20V，因此，選擇15V為開通電壓。第四，要盡量減小驅(qū)動(dòng)電路的功率，負(fù)向的關(guān)斷電壓大小可以有效優(yōu)化驅(qū)動(dòng)功率。過低的負(fù)向關(guān)斷電壓必然造成較大的驅(qū)動(dòng)功率，因此，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料，選擇負(fù)向10V的電壓來可靠關(guān)斷，且驅(qū)動(dòng)功率也有所減小。第五，IGBT寄生參數(shù)對功率回路及驅(qū)動(dòng)電路的影響也必須要重視，輸入電容、米勒電容、輸出電容等直接影響IGBT的開關(guān)動(dòng)作特性及驅(qū)動(dòng)電路的各項(xiàng)參數(shù)。圖1所示為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的基本構(gòu)成。
2 IGBT柵極保護(hù)分析
IGBT柵極G與發(fā)射極E間氧化膜厚度較小，極易由于過電壓而擊穿。一般的IGBT，其G、E間最高耐壓為±20V，超過此電壓范圍將會(huì)損壞IGBT。為此，在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中增加此處的保護(hù)功能，保證IGBT安全可靠。
IGBT由于柵極過壓而損壞的情況，一般有兩種。第一，在變流設(shè)備出廠后的運(yùn)輸途中，或未投入運(yùn)行時(shí)，由于靜電電荷不斷積累，G、E間的靜電電壓持續(xù)增大，當(dāng)超過IGBT G、E間所能承受的電壓范圍后，將會(huì)擊穿IGBT的柵極氧化膜，從而損壞IGBT。第二，IGBT在變流器正常運(yùn)行中，由于電路中的電壓、電流及磁場的突變，在G、E間產(chǎn)生電壓尖峰，也會(huì)對IGBT產(chǎn)生很大的威脅。以上兩個(gè)工況需要通過IGBT柵極保護(hù)電路設(shè)計(jì)來解決。第一，為防止靜電電荷不斷積累而使G、E間電壓增大，在G、E間直接放電阻，將靜電電荷釋放，電阻值一般為10kohm。第二，采用G、E間增加TVS管(瞬變電壓抑制二極管)來抑制電路中電流與磁場等相關(guān)物理量突變而引起的柵極過電壓?；蛘?，也可在柵極與驅(qū)動(dòng)的正向電源上增加鉗位的肖特基二極管來將柵極的電壓尖峰釋放在電源上。圖2所示為IGBT柵極保護(hù)設(shè)計(jì)。
3 IGBT電壓應(yīng)力抑制
有關(guān)數(shù)據(jù)表明，IGBT在其整個(gè)生命周期中，因電路中超過其所能承受的電壓而擊穿損壞的占整個(gè)IGBT失效類型的比例較大。為此，在IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，有關(guān)其過電壓防護(hù)問題顯得尤為重要。
IGBT出現(xiàn)過電壓的現(xiàn)象主要由于電路中過大的電流變化率而導(dǎo)致，如式(1)所示。其中，VCE為IGBT集電極與發(fā)射極兩端電壓;Ls為電路中雜散電感;di/dt為IGBT電流的變化率，此處一般為電流的下降速率。由式(1)可見，關(guān)斷電壓應(yīng)力大小主要取決于兩方面：第一，電路中的雜散電感量;第二，電流的變化率。這兩個(gè)方面直接決定應(yīng)力的大小。因此，減小電壓應(yīng)力的方法有兩種：第一，盡量減小線路中的雜散參數(shù)，即寄生電感量，但該方法的成效有限;第二，通過電路的設(shè)計(jì)，減小電流變化率，從而降低電壓應(yīng)力。本文中主要針對第二種方法進(jìn)行研究。
對于電路中較大的電流變化，主要發(fā)生在電流較大時(shí)，IGBT的關(guān)斷狀態(tài)，包括變流器過流或短路等狀態(tài)。為保證此刻IGBT關(guān)斷電壓應(yīng)力不超標(biāo)，就應(yīng)該將電流變化率減小。流過IGBT的電流變化率主要由其關(guān)斷的速度決定，因此，可以通過減小IGBT關(guān)斷速度來減小電流變化率。而減小關(guān)斷速度的方法一般有兩種：第一，采用有源鉗位的方法，當(dāng)采集到電壓應(yīng)力過高時(shí)，利用相關(guān)電路將該信號反饋給柵極，即主動(dòng)給柵極注入電流，使正在關(guān)斷的IGBT再次開通，從而減小電流變化率，減小電壓應(yīng)力;第二，驅(qū)動(dòng)電路中采集IGBT的電壓應(yīng)力，在電壓應(yīng)力過高時(shí)采用相關(guān)邏輯電路，將其緩慢關(guān)斷，等效與較大的柵極驅(qū)動(dòng)電阻值，從而減小電流變化率，進(jìn)而減小電壓應(yīng)力。
圖3為有源鉗位電路工作原理圖，由TVS管和恢復(fù)二極管構(gòu)成。當(dāng)集電極電位過高時(shí)，TVS被擊穿，有電流流進(jìn)門極，門極電位得以抬升，從而使關(guān)斷電流變化率減小，進(jìn)而減小尖峰。這個(gè)鉗位過程的本質(zhì)是一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路，給定的是TVS擊穿點(diǎn)，被控對象是集電極電位。
當(dāng)檢測到IGBT的VCE較高時(shí)，觸發(fā)軟關(guān)斷有效，將IGBT的關(guān)斷速度減緩，從而減小電流的變化率，抑制電壓應(yīng)力。軟關(guān)斷的過程可以等效為IGBT的關(guān)斷電阻Roff變大的狀態(tài)，如圖4所示。
4 IGBT過流及短路保護(hù)
(1)IGBT過電流保護(hù)
變流器在一般工作時(shí)，過流是一種較為常見的狀態(tài)。在過流時(shí)，承擔(dān)功率變換的IGBT由于工作電流增大會(huì)直接影響其可靠性。在高頻變流器中，IGBT一般工作在開、關(guān)狀態(tài)，充當(dāng)高頻的開關(guān)器件，因此處在開、關(guān)狀態(tài)的IGBT一般有兩種狀態(tài)：關(guān)斷(或稱為截止)和導(dǎo)通(即飽和導(dǎo)通)。處在導(dǎo)通狀態(tài)的IGBT的飽和壓降很小，因此，IGBT本身的導(dǎo)通損耗就會(huì)很小。但是，當(dāng)IGBT發(fā)生過流時(shí)，如果沒能及時(shí)處理，IGBT的電流持續(xù)上升，一般的IGBT的工作電流大概為額定電流的3到4倍時(shí)，會(huì)發(fā)生退飽和的現(xiàn)象，即IGBT會(huì)退出飽和導(dǎo)通區(qū)，進(jìn)入放大即線性區(qū)。在線性區(qū)內(nèi)，IGBT的VCE電壓較高，而且工作電流又很大，IGBT的瞬時(shí)功率將會(huì)較大。對IGBT來說，超過其安全工作區(qū)，有過功率損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
為此，在變流器發(fā)生過流時(shí)，為保證IGBT的安全，需要及時(shí)關(guān)斷。然而，IGBT在過流時(shí)關(guān)斷過快，也就意味著電流變化率較大，這樣，按照IGBT電壓應(yīng)力抑制的分析，其關(guān)斷時(shí)會(huì)有較大的電壓尖峰，對IGBT造成威脅，因此，在關(guān)斷IGBT時(shí)可采用有源鉗位或者軟關(guān)斷的方法抑制電壓應(yīng)力。綜合以上分析，在IGBT發(fā)生過流時(shí)，必須將其安全可靠地關(guān)斷。
(2)IGBT短路保護(hù)
變流器在工作時(shí)由于負(fù)載側(cè)故障而引起短路，輸出電流會(huì)急劇上升，導(dǎo)致IGBT的工作電流也會(huì)對應(yīng)急劇上升。一般地，對IGBT而言，短路分為兩種情況：第一，變流器的橋臂內(nèi)發(fā)生直通，回流路徑很小，其等效負(fù)載也非常小，近似為零，一般稱為一類短路。第二，變流器短路點(diǎn)發(fā)生在負(fù)載側(cè)，等效短路阻抗較大，稱為二類短路。二類短路一般也可認(rèn)為是變流器較嚴(yán)重的過流發(fā)生。在短路發(fā)生時(shí)刻，如果不采取相關(guān)措施，就會(huì)導(dǎo)致IGBT快速進(jìn)入退飽和，如IGBT過流保護(hù)分析，其瞬態(tài)功耗超過限值而損壞。因此，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，要盡快關(guān)斷IGBT，而且關(guān)斷的速度要平緩，保證電流變化速率在一定范圍，避免關(guān)斷過快而引起電壓應(yīng)力超過限值而損壞IGBT。
當(dāng)一類短路發(fā)生時(shí)，流過IGBT的工作電流上升非?？欤诤芏虝r(shí)間內(nèi)達(dá)到退飽和電流。如果在此刻將IGBT關(guān)斷，電壓尖峰將非常大，很有可能超過限值。為此，在一類短路發(fā)生時(shí)，將IGBT緩慢、可靠關(guān)斷非常重要。為了使得驅(qū)動(dòng)電路在盡可能短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)電流變化，在有源鉗位的方案中增加快速響應(yīng)措施，使得IGBT驅(qū)動(dòng)能夠盡快動(dòng)作。具體措施如圖5所示，在TVS管上并聯(lián)陶瓷電容，該電容高頻特性較好，能夠響應(yīng)高頻的電流變化，當(dāng)IGBT的集電極電壓發(fā)生快速變化時(shí)，該電容可以通過電流信號將變化及時(shí)地反饋給IGBT柵極，這樣，柵極由于此電流的注入而從即將關(guān)斷的狀態(tài)進(jìn)入再次開通的狀態(tài)，對IGBT本身來說，其電流的變化率就不至過快，確保其較小的關(guān)斷電壓尖峰。IZC可通過以下公式計(jì)算得到。對于一類的橋臂直通的短路和二類的較大負(fù)載的短路，除采用高級有源鉗位的方法外，也可采用軟關(guān)斷的方法處理，二者的區(qū)別在于，軟關(guān)斷的瞬時(shí)功耗較大，對變流器本身來講，如果長時(shí)間的處于短路狀態(tài)，效率會(huì)有所降低，與此同時(shí)，IGBT會(huì)有熱應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。
5 試驗(yàn)結(jié)果
針對1200V/2500A的IGBT，進(jìn)行雙脈沖試驗(yàn)，對設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路基本的驅(qū)動(dòng)能力、柵極保護(hù)、電壓應(yīng)力抑制的有源鉗位、軟關(guān)斷等功能及性能表現(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
試驗(yàn)平臺(tái)按照圖6所示搭建，IGBT模塊為半橋結(jié)構(gòu)，其中上管C、E間連接電感L來模擬負(fù)載，同時(shí)保證上管在試驗(yàn)中處在關(guān)斷的狀態(tài)。給下管G、E間輸入圖中所示的驅(qū)動(dòng)信號，即設(shè)置兩次開通，且開通與關(guān)斷的時(shí)間T1、T2、T3可控。通過該雙脈沖試驗(yàn)，可以有效驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路在變流器換流時(shí)的功能與性能。圖7與圖8為實(shí)驗(yàn)測試波形，兩圖中通道1均為下管門極與發(fā)射極電壓VGE;通道2均為下管集電極與發(fā)射極電壓VCE;通道3均為集電極電流IC。圖7中可以看到當(dāng)達(dá)到VCE門限值時(shí)，VGE電壓上升，延緩了IGBT的關(guān)斷速度;如圖8所示，當(dāng)檢測到較大VCE電壓尖峰時(shí)，VGE電壓緩慢降低，IGBT緩慢關(guān)斷，從而抑制了電壓應(yīng)力。
6 結(jié)論
對于中、大功率變流器的核心開關(guān)器件IGBT，其驅(qū)動(dòng)電路不僅僅要保證正常的驅(qū)動(dòng)能力，還要有相關(guān)的保護(hù)措施，從而在極端工況下保證IGBT的安全、可靠。
本文從IGBT驅(qū)動(dòng)的基本參數(shù)設(shè)計(jì)、柵極保護(hù)、電壓應(yīng)力抑制及過流與短路等方面入手，提出了有效的解決方案，并通過相關(guān)理論及具體的電路解決措施，驗(yàn)證方案的科學(xué)性與可行性。
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