IGBT模塊驅(qū)動(dòng)及保護(hù)技術(shù)1.引言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I(xiàn)GBT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***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。2．IGBT的柵極特性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**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**大額定柵極電壓。曲線OA段稱為不導(dǎo)通區(qū)或死區(qū)。一般硅管的死區(qū)電壓約為0.5伏。廣東模塊供應(yīng)商
過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器（AC-SSR）的內(nèi)部電路。主要包括輸入電路、光電耦合器、過零觸發(fā)電路、開關(guān)電路（包括雙向晶閘管）、保護(hù)電路（RC吸收網(wǎng)絡(luò)）。當(dāng)加上輸入信號(hào)VI（一般為高電平）、并且交流負(fù)載電源電壓通過零點(diǎn)時(shí)，雙向晶閘管被觸發(fā)，將負(fù)載電源接通。固態(tài)繼電器具有驅(qū)動(dòng)功率小、無觸點(diǎn)、噪音低、抗干擾能力強(qiáng)，吸合、釋放時(shí)間短、壽命長，能與TTL＼CMOS電路兼容，可取代傳統(tǒng)的電磁繼電器。雙向可控硅可用于工業(yè)、交通、家用電器等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓、電機(jī)調(diào)速、交流開關(guān)、路燈自動(dòng)開啟與關(guān)閉、溫度控制、臺(tái)燈調(diào)光、舞臺(tái)調(diào)光等多種功能，它還被用于固態(tài)繼電器（SSR）和固態(tài)接觸器電路中。模塊售價(jià)開關(guān)性能經(jīng)過優(yōu)化，可以按串聯(lián)器件的數(shù)量輕松調(diào)整軟起動(dòng)器，以適應(yīng)不同的工作電壓。
進(jìn)而控制Uge的下降速度；當(dāng)電容電壓上升至VZ2的擊穿電壓時(shí)，VZ2擊PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建江蘇宏微科技有限公司設(shè)計(jì)天地與應(yīng)用指南穿，Uge被鉗位在一個(gè)固定的值上，慢降柵壓過程結(jié)束。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通過光耦輸出故障信號(hào)。如果在延時(shí)過程中，故障信號(hào)消失了，則a點(diǎn)電壓降低，VT1恢復(fù)截止，C1通過R2放電，d點(diǎn)電位升高，VT2也恢復(fù)截止，Uge上升，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到kA/μS。極高的電壓下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出很高的過電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)電流電壓的運(yùn)行軌跡超出安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但是對(duì)IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利抑制反向二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下，IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動(dòng)條件加以控制。，通常都要給IGBT主電路設(shè)計(jì)關(guān)斷吸收緩沖電路。IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路可分為充放電型和放電阻止型。充放電型有RC吸收和RCD吸收兩種。
IGBT與MOSFET的開關(guān)速度比較因功率MOSFET具有開關(guān)速度快，峰值電流大，容易驅(qū)動(dòng)，安全工作區(qū)寬，dV/dt耐量高等優(yōu)點(diǎn)，在小功率電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。但是由于導(dǎo)通特性受和額定電壓的影響很大，而且工作電壓較高時(shí)，MOSFET固有的反向二極管導(dǎo)致通態(tài)電阻增加，因此在大功率電子設(shè)備中的應(yīng)用受至限制。IGBT是少子器件，它不但具有非常好的導(dǎo)通特性，而且也具有功率MOSFET的許多特性，如容易驅(qū)動(dòng)，安全工作區(qū)寬，峰值電流大，堅(jiān)固耐用等，一般來講，IGBT的開關(guān)速度低于功率MOSET，但是IR公司新系列IGBT的開關(guān)特性非常接近功率MOSFET，而且導(dǎo)通特性也不受工作電壓的影響。由于IGBT內(nèi)部不存在反向二極管，用戶可以靈活選用外接恢復(fù)二極管，這個(gè)特性是優(yōu)點(diǎn)還是缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)工作頻率，二極管的價(jià)格和電流容量等參數(shù)來衡量。IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電路符號(hào)及等效電路如圖1所示?？梢钥闯觯?020-08-30開關(guān)電源設(shè)計(jì)：何時(shí)選擇BJT優(yōu)于MOSFET開關(guān)電源電氣可靠性設(shè)計(jì)1供電方式的選擇集中式供電系統(tǒng)各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離的不同而造成的壓差降低了供電質(zhì)量，而且應(yīng)用單臺(tái)電源供電，當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。分布式供電系統(tǒng)因供電單元靠近負(fù)載，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。覆蓋10 kW-10 GW的寬廣功率范圍，樹立了行業(yè)應(yīng)用**。分立式硅或碳化硅（SiC）肖特基二極管的應(yīng)用范圍。
IGBT的Uge幅值也影響著飽和導(dǎo)通壓降：Uge增加，飽和導(dǎo)通壓降將減小。由于飽和導(dǎo)通壓降是IGBT發(fā)熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。通常Uge為15至18V，若過高，容易造成柵極擊穿。一般取15V，IGBT關(guān)斷時(shí)給其柵極發(fā)射極加一負(fù)偏壓有利于提高IGBT的抗干擾的能力，通常取5到10V。、下降速率對(duì)IGBT的開通和關(guān)斷過程有著較大的影響。在高頻應(yīng)用場合，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率應(yīng)盡量快一些，以提高IGBT的開關(guān)速度，降低損耗。減小柵極串聯(lián)電阻，可以提高IGBT的開關(guān)速度，降低開關(guān)損耗，用戶可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的頻率范圍，選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)電阻，也可以選擇開通和關(guān)斷不同的柵極串聯(lián)電阻值。在正常情況下IGBT的開通速度越快，損耗越小。但在開通過程中如有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容的放電電流，則開通的越快，IGBT承受的峰值電流越大，越容易導(dǎo)致IGBT損壞。因此應(yīng)該降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升速率,既增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價(jià)是較大的開通損耗。利用此技術(shù)，開通過程的電流峰值可以控制在任意值。由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對(duì)IGBT開通過程影響較大，而對(duì)關(guān)斷過程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗。所有器件均具備很強(qiáng)的抗浪涌電流能力。開關(guān)性能經(jīng)過優(yōu)化，可以按串聯(lián)器件的數(shù)量輕松調(diào)整軟起動(dòng)器。家居模塊構(gòu)件
二極管由管芯、管殼和兩個(gè)電極構(gòu)成。管芯是一個(gè)PN結(jié)。廣東模塊供應(yīng)商
Le是射極回路漏電感，用電感L1與二極管VD并聯(lián)作為負(fù)載。圖2IGBT開通波形IGBT開通波形見圖2b。T0時(shí)刻，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，柵極驅(qū)動(dòng)電壓開始上升，Uge的上升斜率上要由Rg和Cgc決定，上升較快。到t1時(shí)刻。Uge達(dá)到柵極門檻值(約4~5V)，集電極電流開始上升。導(dǎo)致Uge波形偏離原有軌跡的因素主要有兩個(gè)：一是發(fā)射極電路中分布電感Le的負(fù)反饋?zhàn)饔?；二是柵極-集電極電容Cgc的密勒效應(yīng)。t2時(shí)刻，Ic達(dá)到比較大值，集射極電壓Uce下降，同時(shí)Cgc放電，驅(qū)動(dòng)電路電流增大，使得Rg和R上分壓加大，也造成Uge下降。直到t3時(shí)刻，Uce降為0，Ic達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，Uge才以較快的上升率達(dá)到比較大值。IGBT關(guān)斷波形如圖2c所示。T0時(shí)刻?hào)艠O驅(qū)動(dòng)電壓開始下降，到t1時(shí)刻達(dá)到剛能維持Ic的水下，lGBT進(jìn)入線性工作區(qū)，Uce開始上升，對(duì)Cgc、Cge充電，由于對(duì)兩個(gè)寄生電容的耦合充電作用，使得在t1~t2期間，Uge基本不變。在t3時(shí)刻，Uce上升結(jié)束，Uge和Ic以柵極-發(fā)射極間固有阻抗下降為0。通過以上分析可知，對(duì)IGBT開通關(guān)斷過程影響較大的因素是驅(qū)動(dòng)電路的阻杭、Le和Cge。因此在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候，應(yīng)選擇Cgc較小的IGBT，并通過合理布線、選擇合理電阻等方法改善開通與關(guān)斷的過程。，四路驅(qū)動(dòng)電路完全相同。廣東模塊供應(yīng)商
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