摘要：為解決中、大功率等級(jí)IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)問(wèn)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(guò)流與短路等工況的保護(hù)措施及工作原理。對(duì)電壓應(yīng)力抑制的關(guān)鍵方案：有源鉗位、高級(jí)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(wèn)題的應(yīng)用電路。通過(guò)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(chǎng)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(guò)90%。因此，IGBT的安全可靠應(yīng)用問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜摇W(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(wèn)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(duì)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)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(duì)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(guò)電壓而擊穿。一般的IGBT，其G、E間最高耐壓為±20V，超過(guò)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(guò)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(guò)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(chǎng)的突變，在G、E間產(chǎn)生電壓尖峰，也會(huì)對(duì)IGBT產(chǎn)生很大的威脅。以上兩個(gè)工況需要通過(guò)IGBT柵極保護(hù)電路設(shè)計(jì)來(lái)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(lái)抑制電路中電流與磁場(chǎng)等相關(guān)物理量突變而引起的柵極過(guò)電壓。或者，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(lái)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(guò)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(guò)電壓防護(hù)問(wèn)題顯得尤為重要。
IGBT出現(xiàn)過(guò)電壓的現(xiàn)象主要由于電路中過(guò)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(jiàn)，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(guò)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(duì)第二種方法進(jìn)行研究。
對(duì)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(guò)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(guò)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(guò)減小IGBT關(guān)斷速度來(lái)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(guò)高時(shí)，利用相關(guān)電路將該信號(hào)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)象是集電極電位。
當(dāng)檢測(cè)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(guò)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(guò)流及短路保護(hù)
(1)IGBT過(guò)電流保護(hù)
變流器在一般工作時(shí)，過(guò)流是一種較為常見(jiàn)的狀態(tài)。在過(guò)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(guò)流時(shí)，如果沒(méi)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(duì)IGBT來(lái)說(shuō)，超過(guò)其安全工作區(qū)，有過(guò)功率損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
為此，在變流器發(fā)生過(guò)流時(shí)，為保證IGBT的安全，需要及時(shí)關(guān)斷。然而，IGBT在過(guò)流時(shí)關(guān)斷過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)應(yīng)急劇上升。一般地，對(duì)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(guò)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(guò)流保護(hù)分析，其瞬態(tài)功耗超過(guò)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(guò)快而引起電壓應(yīng)力超過(guò)限值而損壞IGBT。
當(dāng)一類短路發(fā)生時(shí)，流過(guò)IGBT的工作電流上升非常快，在很短時(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(guò)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(guò)電流信號(hào)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(duì)IGBT本身來(lái)說(shuō)，其電流的變化率就不至過(guò)快，確保其較小的關(guān)斷電壓尖峰。IZC可通過(guò)以下公式計(jì)算得到。對(duì)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(jí)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(duì)變流器本身來(lái)講，如果長(zhǎng)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(duì)1200V/2500A的IGBT，進(jìn)行雙脈沖試驗(yàn)，對(duì)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?qǐng)D6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(lái)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(hào)，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(guò)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(cè)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(cè)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(duì)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(guò)流與短路等方面入手，提出了有效的解決方案，并通過(guò)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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