一種基于數字可編程芯片的大功率IGBT驅動電路

孫浩++楊媛++李春雷

摘要：本文首先介紹了門極電阻對IGBT開關狀態的影響。并提出了一種基于數字可編程芯片的大功率IGBT驅動電路，該驅動電路可自主的判斷出IGBT所處的開關過程中的各個階段，根據對應的不同開關階段，動態的選擇對應的柵極驅動電阻，實現對IGBT開關過程的調節。實驗結果表明，該驅動電路可以優化IGBT的開關特性，達到預期的設計目標。

關鍵詞：IGBT 數字可編程 驅動電路

中圖分類號：TM383.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0099-01

IGBT是由功率MOSFET和BJT復合而成的一種半導體功率器件，它集二者的優點于一身，在軌道交通、智能電網、新能源等產業中有著廣泛的應用。IGBT作為功率開關器件，開關損耗過高容易使器件結溫升高，而造成器件的損傷[1-2]。另一方面，開關過程中過高的反向恢復電流尖峰會造成反并聯二極管的損壞，過高的關斷過壓尖峰容易造成IGBT的擊穿損壞。

1 電阻對IGBT開關狀態的影響

IGBT在驅動時，其開通和關斷是通過柵極電阻給柵極電容充放電來實現的。柵極-發射極間回路中的電感和電容都屬于無功元件，若無柵極驅動電阻，則驅動過程中的大部分功率都會直接消耗在驅動器內部的輸出管上，這會造成輸出管結溫大幅度上升，影響IGBT的正常工作，嚴重時甚至燒毀IGBT。

在柵極驅動電壓不變的情況下，驅動電阻的大小直接影響著IGBT開關過程中的開通關斷時間、開通關斷損耗、驅動器EMI、集電極電壓變化速率dVCE/dt、集電極電流變化速率dIC/dt和續流二極管的反向恢復電流等[3]。若是采用阻值較小的柵極驅動電阻，會加快IGBT的開通和關斷速率，減小開關損耗。但是，這樣會增大門極電阻上的損耗，增大關斷時的電流變化率dIC/dt，從而在雜散電感上感應出較高的關斷電壓尖峰，可能造成擎住效應的發生，一旦電壓尖峰超過了IGBT的額定電壓，會影響IGBT的安全工作；同時采用阻值小的電阻會導致門極驅動導線的寄生電感和門極一發射極電容CGE產生振蕩[5]。

2 IGBT驅動電路

數字可編程IGBT驅動電路可以在IGBT的開關過程中，通過VCE檢測電路和VGe檢測電路對IGBT開關過程進行在線監測，將檢測信號送入數字芯片處理，數字可編程芯片通過反饋的VCE和VGe電壓信號判斷出IGBT的開關進度，選擇對應的柵極驅動電阻來優化IGBT的開關過程。其具體的控制策略如下所示：

動態開通過程：外部驅動信號為高電平，在IGBT的柵極和發射極之間施加+15V的開通電壓，①從施加開通電壓到IGBT柵極電壓VGe上升至IGBT的開通閾值Vth前，IGBT處于正向阻斷區（截止區），集電極電流IC幾乎為0，該階段使用一個阻值較小的驅動電阻，以減小IGBT的開通延時。②柵極電壓VGe上升至IGBT的開通閾值Vth時，IC從零開始增大，此過程中的電流變化速率與柵極驅動電阻的大小有關，而二極管反向恢復電流大小與回路中電流變化率dIC/dt緊密相關，因此此過程選用阻值較大的柵極電阻可降低dI/dt，從而可減小電流尖峰；③集電極電壓VCE開始下降，柵極電壓VGe升至其米勒平臺值Vth，此過程中可采用較小的電阻來加快集電極電壓的下降速率，從而縮短開通時間；④當VCE的值接近門極電壓VGe時，米勒電容迅速增大使得集電極電壓的下降速率dVCE/dt快速降低，此過程可采用更小的電阻來使IGBT快速地完全進入飽和區，減小開通時間，減小開通損耗。

動態關斷過程：外部驅動信號為低電平，在IGBT的柵極和發射極之間施加-15V的關斷電壓，①施加關斷電壓后，IGBT的柵極電容開始被放電，柵極電壓下降至米勒平臺，此過程中可使用一個阻值較小的驅動電阻，加快IGBT的關斷速率。②IGBT的柵極電壓被箝位在米勒平臺，VCE開始上升，此時可采用較大的電阻來降低集電極電壓的上升速率dVCE/dt，從而減小關斷過壓尖峰。③集電極電壓已達到IGBT的母線電壓值，集電極電流IC開始下降，此時電流的下降會在功率回路的寄生電感上產生感應電壓，感應電壓疊加在母線電壓上會使IGBT功率極所加的電壓變大，過快的電流下降速率會造成IGBT的過壓擊穿。

3 實驗結果分析

實驗采用三菱公司4500V/900A型IGBT模塊進行驗證，母線電壓為2800V，負載為310μH。分別通過單一阻值的驅動器和數字可編程IGBT驅動器對該IGBT進行雙脈沖測試。

單一阻值的驅動器驅動時，其開通時間ton=6μs，關斷時間toff=3μs，電流尖峰IRRM=1600A，電壓尖峰VCEM=3660V。數字可編程IGBT驅動器驅動時，其開通時間ton=3μs，關斷時間toff=2.5μs，電流尖峰IRRM=1600A，電壓尖峰VCEM=3260V。分析對比可得該驅動能優化IGBT開關過程，驗證了方案的可行性。

4 結語

本文提出了一種基于可編程數字芯片的大功率IGBT驅動電路設計方案，該方案結合IGBT的開關過程中驅動電阻對其開關特性的影響，動態的調整其門極驅動電阻，優化IGBT的開關特性，實驗結果也表明，在保證dIC/dt和dVCE/dt出于安全范圍的情況下，縮短了IGBT的開關時間，減少其開關損耗。

參考文獻

[1]劉海紅，楊媛，劉海鋒.大功率IGBT驅動保護方法研究進展綜述[J].電子設計工程，2015，v.23；No.30907：104-106+110.

[2]袁立強，趙爭鳴，宋高升，等.電力半導體器件原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2011.