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IGBT通電原理闡述及使用注意

1）IGBT對柵極驅動電路的特殊要求IGBT的驅動電路在它的應用中有著特別重要的作用，IGBT應用的關鍵問題之一是驅動電路的合理設計。由于IGBT的開關特性何**工作區隨柵極驅動電路的變化而變化，因而驅動電路性能不好，常常造成IGBT的損壞。IGBT通常采用柵極電壓驅動，與其他全控型器件一樣，IGBT對驅動電路有許多特殊的要求。概括起來有：
1）柵極驅動電壓脈沖的上升率和下降率要充分大。在IGBT開通時，前沿很陡的柵極電壓加到其柵極G與發射極E之間，使IGBT快速開通，達到開通時間*短，以減小開通損耗的效果。在IGBT關斷時，其柵極驅動電路要提供IGBT一下降沿很陡的關斷電壓，并給IGBT的柵極G與發射極E之間施加一適當的反向負偏電壓，以使IGBT快速關斷，縮短關斷時間，減小關斷損耗。
2）在IGBT導通后，柵極驅動電路提供給IGBT的驅動電壓和電流要具有足夠的幅度。該幅度應能維持IGBT的功率輸出級總是處于飽和狀態，當IGBT瞬時過載時，柵極驅動電路提供的驅動功率要足以保證IGBT不退出飽和區而損壞。
3）柵極驅動電路提供給IGBT的正向驅動電壓+VGE值越高越好。其原因在于，在負載短路過程中，IGBT的集電極電流也隨著+VGE的增加而增加，并使IGBT承受短路損壞的脈寬變窄，如|+VGE|>20V（即使是浪涌電壓），也會引起IGBT的損壞。因此在實際應用中，IGBT的柵極驅動電路提供給IGBT的正向驅動電壓+VGE要取合適的值，特別是在具有短路工作過程的設備中使用IGBT時，其正向驅動電壓+VGE更應選擇其所需要的*小值。現已證明，開關應用的IGBT的柵極電壓以+15～10V為*佳。
4）IGBT在關斷過程中，柵-射極施加的反偏壓有利于IGBT的快速關斷，但反向負偏壓-VGE受IGBT柵-射極之間反向*大耐壓的限制，過大的反向電壓亦會造成IGBT柵-射極的反向擊穿，所以-VGE也應取合適的值（此值一般為-2～-10V）
5）雖說IGBT的快速開通和關斷有利于縮短開關時間和減小開關損耗，但過快的開通和關斷，在大電感負載情況下，反而是有害的。其原因在于大電感負載隨著IGBT的超速開通和關斷，將在電路中產生高頻幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓Ldi/dt，該尖峰電壓應用常規的過電壓吸收電路是吸收不掉的，因而有可能造成IGBT自身或電路中其他元器件因過電壓擊穿而損壞，所以在大電感負載條件下，IGBT的開關時間也不能過分短，其值應根據電路中所有元器件耐受dv/dt的能力及IGBT自身的dv/dt吸收電路性能綜合考慮。
6）由于IGBT內寄生晶體管、寄生電容的存在，使柵極驅動與IGBT損壞時的脈寬有密切的關系。同時柵極信號受流過IGBT輸出級晶體管集電極電流的影響，這就要求在設計驅動電路時合理地處理這些關系。
7）由于IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，所以驅動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離。
8）IGBT的柵極驅動電路應盡可能地簡單、實用，*好自身帶有對被驅動IGBT的完整保護能力，并且有很強的抗干擾性能，且輸出阻抗應盡可能地低。
9）柵極驅動電路與IGBT之間的配線，由于柵極信號的高頻變化很容易互相干擾，為防止造成同一個系統多個IGBT中某個的誤導通，因此要求柵極配線走向應與主電流線盡可能遠，且不要將多個IGBT的柵極驅動線捆扎在一起，同時柵極驅動電路到IGBT模塊柵-射極的引線盡可能地短，引線應采用絞線或同軸電纜屏蔽線，并從柵極直接接到被驅動IGBT柵-射極，*好采取焊接的方法。
10）在IGBT通斷時，其輸入電容要放電與充電，因而當使用IGBT作為高速開關時，應特別注意這些問題。
11)在同一電力電子設備中，使用多個不等電位的IGBT時，為了解決電位隔離的問題，應使用光隔離器。光隔離器一定要使用高速且抗噪聲性能強的產品。
（2）IGBT柵極驅動電路應滿足的條件柵極驅動條件與IGBT的特性密切相關。設計柵極驅動電路時，應特別注意開通特性、負載短路能力和dVce/dt引起的誤觸發問題。
正偏置電壓+VGE增加，通態電壓下降，開通損耗Eon也下降。由此看出，如+VGE固定不變時，導通電壓將隨集電極增大而增高，開通損耗將隨結溫升高而升高。
負偏置電壓-VGE直接影響IGBT的可靠運行。負偏置電壓增高時，集電極浪涌電流明顯下降，對關斷能耗無顯著影響。
柵極電阻RG增加，將使IGBT的開通和關斷時間增加，因而使開通和關斷能耗均增加。而柵極電阻減小，則又使dic/dt增高，可能引發IGBT誤導通，同時RG上的損耗也有所增加。
但RG增大會使IGBT的開關時間增加，進而使開關損耗增加。因此，應根據IGBT的電流容量和電壓額定值及開關頻率的不同，選擇合適的RG阻值，一般應選RG在十幾歐幾百歐之間。
（3）柵極串聯電阻及柵極驅動電壓的上升、下降速率柵極驅動電壓的上升、下降速率對IGBT的開通和關斷過程有較大的影響。
IGBT的MOS溝道受柵極驅動電壓直接控制，而MOSFET部分的漏極電流又控制著雙極部分的基極電流，使得IGBT的開通特性主要決定于它的MOSFET部分，所以IGBT的開通受柵極驅動電壓波形的影響較大。
IGBT的關斷特性主要取決于內部少數載流子的復合速率。少數載流子的復合受MOSFET部分的關斷影響，使得柵極驅動對IGBT的關斷也有一定的影響。柵極驅動回路的阻抗會延長密勒效應時間，使集電極電流的下降延遲。
柵極驅動電路的阻抗，包括柵極驅動電路的內阻抗和柵極串聯電阻兩個部分。它們影響著驅動波形的上升、下降速率。載高頻應用時，驅動電壓的上升、下降速率應快一些，以提高IGBT的開關速度，并降低開關損耗。在運行頻率較低時，開關損耗占比例較小，驅動電壓的上升、下降速率可減慢些。
在正常狀態下，IGBT開通越快，開通損耗也越小。但在開通過程中，如存在續流二極管的反向恢復電流和吸收電容器的放電電流，則開通越快，IGBT承受的峰值電流也就越大，甚至急劇地上升，導致IGBT或續流二極管損壞。此時應有目的地降低柵極驅動脈沖的峰值。其代價是要付出較大的開通損耗。利用此技術，開通過程中的峰值電流可以通過改變柵極串聯電阻控制在任意要求的值。
由以上分析可見，柵極串聯電阻IGBT的開通過程的影響相當于開通來說要小一些。柵極串聯電阻小，有利于加快關斷速度和減小關斷損耗，也有利于避免關斷時集電極電壓的dv/dt造成IGBT誤開通。但柵極串聯電阻過小，會由于集電極電流下降的di/dt過大，產生較大的集電極電壓尖峰，因此對于IGBT關斷過程中的柵極串聯電阻的阻值也需折衷考慮。
柵極串聯電阻阻值對于驅動脈沖的波形也有較大的影響，電阻值過小時會造成驅動脈沖振蕩，過大時，驅動波形的前、后沿會發生延遲和變緩。IGBT的輸入電容CGE隨著其額定電流容量的增大而增大。為了保持相同的驅動脈沖前、后沿速率，對于電流容量的增加而減小。IGBT的柵極串聯電阻通常采用推薦的值，如工作頻率較低，也可采用前一檔電阻值較大的值。
（4）驅動電路舉例
1）應用脈沖變壓器直接驅動功率IGBT：這種驅動電路的工作原理是：來自控制脈沖形成單元的脈沖信號經高頻晶體管V進行功率放大后加到脈沖變壓器上，由脈沖變壓器隔離耦合、穩壓管VS1和VS2限幅后來驅動IGBT。它的優點表現在：電路簡單，應用廉價的脈沖變壓器實現了被驅動IGBT與控制脈沖形成部分的隔離。驅動級不需要專門的直流電源，簡化了電源結構，同時脈沖變壓器傳輸脈沖的頻率可以較高（一般高達100kHz左右）。加之整個電路工作頻率較高，IGBT自身所需驅動電流又很小，所以脈沖變壓器的體積可以做得很小，穩壓管VS1、VS2的引入限制了加到被驅動功率IGBT柵極G與發射極E之間的正、反向電壓，防止了過高的VGE電壓損壞被驅動功率IGBT的控制絕緣柵。其不足表現在：高頻脈沖變壓器因漏感及基膚效應的存在較難繞制，且因漏感的存在容易出現VGE振蕩。為了限制振蕩，常常需增加柵極電阻RG，這就影響了柵極驅動脈沖前、后沿的陡度，降低了可應用的*高頻率，同時驅動電路自身不能對驅動IGBT進行欠飽和、過飽和及電流等保護。
2）采用分立式驅動電路來驅動IGBT：它的工作原理是：正常情況下，由于來自電流取樣環節BHL元件輸出的信號小于比較器A反相端整定的門檻值，比較器A輸出低電平，光耦合器VLC2不導通，反相器D輸出高電平，封鎖脈沖功能不起作用。當控制脈沖由低電平變為高電平時，光耦合器VLC1輸出低電平，由4011型CMOS集成四與非門電路組成的整形電路輸出高電平，V1截至、V2導通，電容C2給IGBT的GE結施以方向電壓，使其快速關斷；反之，當控制脈沖由高電平變為低電平時，VLC1輸出高電平，4011輸出低電平，V1導通、V2截至，提供IGBT導通時GE結所需的正向電壓，使IGBT快速導通。一旦發生過電流，則A輸出高電平，并經二極管VD自保，光耦合器VL2導通，并輸出低電平，直接從末級驅動電路和脈沖形成部分封鎖掉控制脈沖。該驅動電路的優點表現在：自身帶有過電流保護功能，光耦合器VLC1的引入，提高了柵極驅動電路的抗干擾能力，同時實現了驅動電路與脈沖形成部分的隔離；互補晶體管V1、V2的引入，降低了驅動電路的輸出阻抗；電阻R1、R2及電容C1、C2的引入，使用戶可方便地對被驅動IGBT的正、反向驅動點頭進行調節，滿足了不同IGBT對柵極驅動電路輸出的+VGE和-VGE的要求。其缺點是：受光耦合器VLC1傳輸速度的影響，其工作頻率不能很高，一般用高速光耦合器也僅能達到10～20kHz，且應用分立元器件較多，抗干擾能力較差。同時受4011*高工作電源電源的限制，使提供給IGBT柵極與發射極間正。反向電壓幅度相互牽制，并受到了限制，何況柵極驅動電路又不能對被驅動IGBT進行欠飽和、過飽和及驅動級電源電壓監控等保護。
3）由于IGBT以MOSEFT為輸入級，所以MOSFET的驅動電路同樣適用于IGBT：為了使IGBT穩定工作，一般要求雙電源供電方式。為了消除可能出現的振蕩.現象，IGBT的柵-射極間接由RC網絡組成的阻尼濾波器，并且連接線采用雙絞線方式。
4）由分立元器件構成的具有VGS保護的驅動電路：IGBT的驅動電路必須具備兩個功能：一是實現控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅動脈沖。實現電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光耦合器。脈沖變壓器由于體積較大、輸出脈沖波形不夠理想，較少采用。采用光耦合器構成的分立元器件IGBT驅動電路時。當輸入控制信號時，光耦合器VLC導通，晶體管V1截至，V2導通，輸入+15V驅動電壓。輸入信號為零時，VLC截至，V1、V3導通，輸出-10V電壓。+15V和-10V電源需靠近驅動電路。驅動電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和射極的引線應采用雙絞線，長度*好不超過0.5m.對于75A、1200V以內的IGBT，驅動器應能提供峰值電流為1A的充放電電流，對150A、1200V及300A、1200V的IGBT，則需分別提供2A及4A的峰值電流。驅動電路中VLC、V1、V2及V3均需采用快速開關管，使輸出脈沖的延遲加上升時間及延遲加下降時間均小于1.5μs。

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