绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(五)

【编者按】电力电子器件是半导体功率器件的总称，是构成电力电子设备的基础，是从事电力电子器件设计、研发、生产、营销和应用人员以及电源技术工作者应该熟悉的内容。本刊从去年4月份开始以“电力电子器件知识”为题开展讲座，以满足广大读者增长知识和用好这些器件的需求。欢迎厂家及用户的工程师们撰稿，并望提出宝贵意见。

6 IGBT的保护与集成驱动电路

6.1 常用的IGBT分立驱动电路

这里介绍几种常见的由分立元器件构成的IGBT驱动电路。

(1)采用双电源供电的IGBT驱动电路

图30所示为采用双电源供电的IGBT驱动电路，根据IGBT栅极驱动要求分别采用正、负偏置电压供电。输入驱动信号经过整形电路整形以后进入功率放大级。当驱动信号为高电平时，经过整形电路以后输出低电平，晶体管VT1截止，晶体管VT2正向偏置导通，将正偏置电压通过驱动电阻RG加到IGBT上驱动栅极，使得IGBT导通。当驱动信号为低电平时，A点为高电平，晶体管VT1正向偏置导通，晶体管VT2截止，负偏置电压通过晶体管VT1和驱动电阻RG加到IGBT上驱动栅极，使IGBT关断。同时，为了消除可能出现的栅极电压的振荡现象，在IGBT的栅极和发射极之间并联了一个RC阻尼电路。

(2)变压器隔离驱动电路

在某些应用场合，需要控制电路和主电路之间实现电隔离。图31所示为一个具有电隔离功能的驱动电路，这里采用脉冲变压器实现电隔离。驱动信号通过一个脉冲变压器隔离传送到二次侧，然后通过由两个二极管组成的整形电路，最后通过一个驱动电阻接到IGBT的栅极。为了防止振荡，在IGBT的栅极和发射极之间并联了一个电阻。

(3)光耦隔离驱动电路

在IGBT驱动电路中，最常用光隔离方法是采用快速的光耦合器VLC隔离方法，如图32所示。当驱动信号作用时，发光二极管导通，光耦合器二次侧晶体管VT1导通，R1上有电流流过，场效应晶体管VF关断，在正电源的作用下，经过电阻R2，晶体管VT2的基极-发射极有了偏置电流，VT2迅速导通，经过栅极驱动电阻RG，IGBT得到正偏置电压而导通。当UG为低电平时，发光二极管上没有电流流过，作用过程相反，VT1导通使得VT3导通，－5V的电源通过栅极驱动电阻RG加在IGBT的栅极和发射极之间，使得IGBT迅速关断。

6.2 IGBT的保护电路和缓冲电路

电力电子电路工作时，由于外部原因或操作失误等原因，为了保证用电设备和用户的安全，同时将由于非正常运行造成的损失降到最小，需要在电力电子电路中设计保护电路。

IGBT常用的保护电路有两种：过电流保护和过电压保护。

(1)过电流保护

IGBT的过电流往往是由于电路中的短路引起的。当电路中发生短路时，IGBT集电极电流将急剧增加并超过额定值，集电极电流增加也引起IGBT集电极-发射极电压UCE的上升，于是IGBT功率损耗增加。长时间运行于这种状态，将使IGBT的结温超过允许值而烧毁。

发生短路的原因可能有很多种，下面以一个三相逆变电路为例，介绍常见的短路状态：

①支路短路 由于电路中IGBT或是其反并二极管损坏造成短路，如图33(a)所示。

②桥路直通短路 由于控制电路或驱动电路故障或干扰引起的开关误动作造成同一桥臂上下两个IGBT同时导通，如图33(b)所示。

③输出短路 由于装配失误或负载绝缘损坏造成短路，如图33(c)所示。

④接地短路 由于配线等人为失误造成接地短路，如图33(d)所示。

(2)过电流保护方法

为了实现过电流保护，需要进行过电流状态检测。对IGBT而言，常用的过电流检测方法有两种：电流传感器检测法与IGBT的饱和压降检测法。

①电流传感器检测法 通过在电路中加入电流传感器，通过检测电路中的电流，判断IGBT是否过电流。通过此方法可以对电路的各种短路状态进行检测和区分，从而根据不同的短路状态采取不同的保护策略，减小由于电路异常所造成的损失。

另外，如果过快地关断IGBT中的过电流，将引起集电极与发射极之间发生过电压，造成IGBT损坏。因此，在检测出过电流以后，必须采取一定的策略关断IGBT，使关断过程落在反向偏置安全工作区(RBSOA)内，即采取所谓柔性关断。

②IGBT的饱和压降检测法 IGBT过电流时的饱和压降UCE(sat)，比正常工作时要高。

图34是采用间接电压法的过流保护电路，它是应用IGBT过流时UCE值增大的原理来检测IGBT的过流现象。M57959AL驱动器内部电路能很好地完成软关断功能。电路中含有过电流信息的UCE经快速恢复二极VD2检测，直接送至M57959AL的集电极电压监测端子1，8脚输出；通过U2光电耦合器，送比较器U1A正相端与反相端的基准电压比较后输出，关断驱动信号。如果发生过流现象，驱动器M57959AL的低速切断电路慢速关断IGBT，以避免集电极因过大的di/dt形成的过电压尖峰脉冲损坏IGBT的可能性，同时也降低了干扰噪声电平。

目前，大多数IGBT的专用驱动芯片内置了类似的保护电路。

(3)过电压保护

这里所要讲述的过电压保护特指IGBT关断时的浪涌电压抑制，不涉及具体电路中由于输入、输出或操作失误等引起的过电压而需要设计的保护电路。

因为IGBT的关断速度很快，IGBT关断或其反并联二极管反向恢复时会产生很高的di/dt，由于IGBT内部引线或外部导线的寄生电感的存在，引起很高的Ldi/dt电压，即关断浪涌电压。当这个电压超过IGBT的正向耐压值时，将造成IGBT过电压击穿而损坏。

常用的抑制IGBT关断浪涌电压的方法有以下几种：

①在IGBT上安装缓冲电路，在缓冲电路中使用可以吸收高频浪涌电压的薄膜电容器；

②调整IGBT驱动电路中的关断偏置电压－UGE，和驱动栅极电阻RG，减小关断时的di/dt；

③降低主电路和缓冲电路中的引线电感，尽量使用更粗、更短的导线；另外，使用平板配线(分层配线)方式也可以有效地降低引线电感。

对IGBT缓冲电路有两种配置方法：一种是为每个IGBT单独配置的缓冲电路；另一种是为多个IGBT安装一个集中式缓冲电路。

常用的单独配置的缓冲电路有RC缓冲电路、充放电型RC-VD缓冲电路和放电阻止型RC-VD缓冲电路。

RC缓冲电路如图35所示。在IGBT的集电极和发射极之间并连一个RC串联支路，适用于斩波电路中。但是RC串联支路在IGBT开通时将通过IGBT进行放电，使得IGBT开通时电流增加，额外增加了IGBT负载；另外，RC缓冲电路中，每次关断以后存储在电容上的电能都将以热的形式消耗掉，它的损耗较大，不适合高频应用。RC缓冲电路的损耗为

式中，Csunber为缓冲电路电容；Ud为IGBT截止时所承受的正向压降；fs为开关频率。

充放电型RC-VD缓冲电路与RC缓冲电路比较，增加了一个与电阻并联的二极管，如图36所示。通过二极管、电容支路提高了缓冲电路关断时浪涌电压抑制能力。加入二极管后，增加缓冲电阻值，减轻在开通时对IGBT的承载的电流。但是相比放电阻止型RC-VD缓冲电路，它的损耗还是很大。充放电型RC-VD缓冲电路的损耗为

式中，L为主电路寄生电感；LC为IGBT关断时的集电极电流；Cs为缓冲电容电容值；Ud为直流电压；fs为开关频率。

放电阻止型R-C-VD缓冲电路结构如图37所示，适合于对同一个桥臂两个IGBT的浪涌电压的吸收。它能有效地消除IGBT关断时的浪涌电压，且缓冲电路的损耗相对前面两种缓冲电路均要小，也适合于高频应用场合。它的损耗可以由下面的式子计算得到

式中，L为主电路寄生电感；IC为IGBT关断时集电极电流；fs为开关频率。

集中式缓冲电路适合于多个IGBT同时使用的场合，如图38所示。在该图中，通过在一个全桥逆变器的两个输出端子上并联一个RC电路，可以对四个IGBT关断时的电压进行吸收。

6.3 IGBT的集成驱动电路

有些公司开发出针对IGBT的集成驱动芯片，这类集成驱动芯片往往在提供驱动电流放大能力同时，还具有使控制电路和IGBT所在的主电路之间实现电隔离的功能。相比于由分立元器件构成的驱动电路，集成芯片具有体积小、可靠性、使用方便等优点。

IGBT的特性随门极驱动条件的变化而变化，就像双极型晶体管的开关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。

由于IGBT的栅-源间、栅-射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小，使IGBT开通的驱动电压一般为15～20V，关断时施加一定幅值的负驱动电压(一般取-5～-15V)有利于减小关断时间和关断损耗，另外在栅极串入一只低值电阻(数十欧左右)可以减小寄生振荡。该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。因此，为了使IGBT工作在最佳状态，通常采用专用的驱动集成电路。

驱动集成电路内部具有饱和检测和保护电路，当发生过电流时能快速响应，但仍实现慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。

M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。M57962L驱动IGBT的应用电路如图39所示。(未完待续)