大功率IGBT的对称栅极控制驱动电路设计方法

共同成长888 2017-05-10

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大功率IGBT的对称栅极控制驱动电路设计方法

作者：海飞乐技术时间：2017-04-27 10:52

  1. 引言
  IGBT是MOSFET和双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管高电压、大电流等优点。正常情况下工作频率为几十kHz，多用在频率较高的应用场合，中、大功率应用占据着主导地位。IGBT和其它电力电子器件一样，实用性还依赖于电路条件和开关环境，性能可靠工作的必要条优良的驱动是保证IGBT高效、可靠工作的必要条件。在设计工作中IGBT的驱动电路是电路设计的控难点和关键。本文对IGBT的开通与关断过程、控制特性进行了分析研究，介绍了一种对称栅极控制驱动电路的设计方法。

  2. IGBT栅极控制特性
  IGBT模块的开关行为（导通和关断）取决于它的结构、内部电容（电荷）以及内部和外部阻抗。当需要计算IGBT驱动电路的输出功率时，关键的参数是栅极电荷，栅极电荷由等效输入电容C_GC和C_GE决定，如图1所示。导通过程可分为三个阶段，分别为栅极-发射极电容充电阶段、栅极-集电极电容充电阶段和栅极-发射极电容充电直到IGBT完全饱和阶段。

图1 IGBT的结电容

2.1 IGBT的开通过程
IGBT开通与关断时动态波形如图2所示。在t₀时刻，触发脉冲上升沿作用于栅极，栅极电流I_G对输入电容C_GE充电，V_GE并不能垂直上升，当V_GE在t₁时刻达到栅极阈值电压V_GE（th），此阶段无集电极电流流过，并且V_CE与V_CC相等。

图2 IGBT开通关断过程的动态波形

  从t₁时刻开始，集电极电流Ic从0开始上升，同时也在L_E上感应出一个反电势，随I_c的上升而增大，由于其方向是与V_GE相反的，故此对V_GE的大小和上升率呈现抵消作用，同时它又制约和减缓了Ic的增长。C_GC所存在的“密勒”效应亦对V_GE产生了不利的影响。
  在t₂时刻，Ic达到最大值，V_GE开始下降，并由此使G-C等效电容C_GC放电，这相当于在驱动电路中增加了一种容性电流I_CGE，使驱动电路内阻抗上的压降增加，造成V_GE进一步降低，其波形在t₂-t₃段上呈现一种上升趋势的凹形。可以看出驱动电路的内阻抗越低，容性电流I_CGE对它的影响就越小。当V_GE下降到接近于0（管压降）时，I_CGE的影响就微不足道了。I_CGE的出现，不但降低了V_GE，同时也就延缓了IGBT的开通过程。
  在t3时刻V_GE下降到接近于0的管压降稳定值，I_c也进入稳态值阶段，此时IGBT进入饱和导通状态,抑制和阻碍V_GE上升的不利因素都已消失，至故此V_GE能以较快的上升率进入到最大稳定值，此IGBT的开导过程结束。
  以上分析的结果表明，IGBT的L_E、C_GC和驱动电路的电阻都将影响IGBT的开通速度，为此应尽量选择L_E、C_GC小的IBGT，同时也应采用内阻小的驱动电路。

  2.2 IGBT的关断过程
  IGBT关断时的波形如图2所示。在t'0时刻，触发脉冲下降沿作用于栅极，由于CGE的影响，使VGE不能垂直下降，而是以一定斜率下降，在t'₀-t'₁期间，I_c、V_CE维持不变。
  当V_GE下降到一定程度，t'₁时刻后，IGBT进入线性放大工作状态，V_CE开始上升，C_GC的密勒效应主宰着V_CE的上升率。
  当在t'₂时刻V_CE达到动态峰值时，I_c按一定斜率下降至0，同时C_GE+C_GC的放电作用消失，V_GE自t'₂下降至t'₃时为0值，V_CE进入稳定状态，关断过程结束。为使关断可靠，关断触发脉冲为负脉冲。
  以上分析的结果表明，IGBT的C_GC、C_GE都对关断过程起到延缓和阻碍的作用，故此要选择C_GC、C_GE小的IGBT，另一个方面内阻小的驱动电路，能使C_GC、C_GE的充放电电流增加，可以加速U_GE下降和U_CE上升的速率。

  3. IGBT的驱动电路
  3.1 IGBT的栅极驱动要求
  (1)栅极电压
  IGBT的栅极电容比较大，因此要提高其开关速度，就要有合适的栅极正反向偏置电压，任何情况下开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值（一般为20V），这是因为IGBT的栅极通过氧化膜和发射极实现电隔离，由于氧化膜因此栅很薄，其击穿电压一般只能达到20到30V，极击穿是IGBT最常见的失效原因之一。
  最佳栅极正向偏置电压为15V±10%，这个值足够令IGBT饱和导通，使导通损耗至最小。虽然栅极电压为零就可使IGBT处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高IGBT的耐压、dV/dt耐量和抗干扰能力，一般在使IGBT处于阻断状态时，可在栅极与源极之间加一个-5至-15V的反向电压。

  (2)栅极串联电阻
  栅极电阻影响IGBT的开关时间、开关损耗、反向偏置安全运行区域、短路电流安全运行区域、EMI、dv/dt、di/dt和续流二极管的反向恢复电流。栅极电阻必须按照各个应用参数仔细选择和优化，如：IGBT技术、二极管、开关频率、损耗、应用布局、电感/杂散电感、直流环节电压和驱动能力。
  栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT的开通和关断过程有着较大的影响。在高频应用场合，驱动电压的上升、下降速率应尽量快一些，以提高IGBT的开关速度，降低损耗。减小栅极串联电阻，可以提高IGBT的开关速度，降低开关损耗，用户可根据实际应用的频率范围，选择合适的栅极驱动电阻。
  在正常情况下IGBT的开通速度越快，损耗越小。但在开通过程中如有续流二极管的反向恢复电流和吸收电容的放电电流，则开通的越快，IGBT承受的峰值电流越大，越容易导致IGBT损坏。因此应该降低栅极驱动电压的上升速率,既增加栅极串联电阻的阻值，抑制该电流的峰值。其代价是开通过程的电流峰较大的开通损耗。利用此技术，开通过程的电流峰值可以控制在任意值。
  由以上分析可知，栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT开通过程影响较大，而对关断过程影响小一些，串联电阻小有利于加快关断速度，减小关断损耗。但过小会导致di/dt过大，产生较大的集电极电压尖峰，因此对串联电阻要根据具体设计要求全面综合考虑，如图3、4所示为在IGBT开通和关断时栅极驱动电阻对di/dt的影响曲线。


图3 IGBT开通时栅极串联电阻对di/dt的影响	图4 IGBT关断时栅极串联电阻对di/dt的影响

  栅极驱动电阻对驱动脉冲的波形也有影响。电阻值过小时会造成脉冲振荡，过大时脉冲的前后沿会发生延迟或变缓。IGBT栅极输入电容C_GE随着其额定容量的增加而增大。为了保持相同的脉冲前后沿速率，对于电流容量大的IGBT器件，应提供较大的前后沿充电电流。为此，栅极串联的电阻的阻值应随着IGBT电流容量的增大而减小。
  栅极驱动电阻R_G的取值应该以所驱动的IGBT数据表中R_G值作参考，再根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率的不同综合考虑。

  (3)驱动功率要求
  IGBT的开关过程要损耗一定的来自驱动电源的功率，栅极正反向偏置电压之差△V_GE，工作频率为f，栅极电容C_GE，则电源的最小峰值电流为：

I_G=±V_GE/R_G (1)

驱动电源的平均功耗为：

P_G=C_GE△V_GE²f (2)

3.2 一种用于大功率IGBT的驱动电路

图5 对称栅极控制驱动电路

  如图5所示，栅极驱动电压由触发脉冲通过推挽输出电路提供。当触发脉冲为高电平，V5截止，推挽输出电路基极为低电平，V3截止，V4导通，从负载抽取电流，栅极得到负压封锁电平。
  当触发脉冲为低电平，V5导通，推挽输出电路基极为高电平，V3导通，V4截止，向负载灌电流，栅极得到正压导通电平。
  这样一来，推挽输出电路基极为高低电平时，V3一路和V4一路交替工作，从而减轻了功耗，提高了每个管子的承受能力。又由于无论走哪一路，管子导通电阻都很小，使R_C常数很小，转弯速度很快，因此推挽式输出电路既提高了电路的负载能力，又提高了开关速度。
  在图5的驱动电路中，调节R1C1的时间常数，可以加快和延缓IGBT的开通时间，改变占空比，同时在半桥驱动模式中，也就改变了上下桥臂的死区时间。图6是占空比为50%的上下桥臂的栅极驱动死区时间波形图，死区时间不到4μs。图7是给C1电容增大0.1μF后上下桥臂的栅极驱动死区时间波形图，死区时间高达24μs，占空比为43%。所以根据栅极驱动的脉冲波形，合理调配R1C1时间常数，避免死区时间太大，波形失真，效率低。或者死区时间太小，容易炸管。


图6 正常的栅极驱动死区时间	图7 增大的栅极驱动死区时间

  3.3 栅极驱动电阻的设计和布局
  对于大功率的IGBT，由于栅级电阻R_G上流过几安培的驱动电流，建议使用电阻并联的形式，如图8、9所示。如果一个栅极电阻损坏，系统可临时运行，避免损坏IGBT，也有利于增强热扩散。
  在图9中，反并接的二极管V219的作用是加快其功率器件IGBT的关断速度。二极管的选取除了考虑快速性和耐压值之外，正向导通电流值一定要满足驱动回路的关断电流，否则容易损坏二极管。其中，R_G₍_OFF₎的阻值为R214、R215、R216的并联阻值。
I_G（OFF）=-V_GE/R_G（OFF）  （3）