IGBT柵極驅(qū)動的驅(qū)動條件和柵極電阻Rg的作用

　　igbt驅(qū)動器是驅(qū)動igbt并對其整體性能進(jìn)行調(diào)控的裝置，它不僅影響了igbt 的動態(tài)性能，同時也影響系統(tǒng)的成本和可靠性。驅(qū)動器的選擇及輸出功率的計算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導(dǎo)致 igbt 和驅(qū)動器損壞。

　　一、igbt驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

　　目前供igbt使用的驅(qū)動電路形式多種多樣 ，各自的功能也不盡相同。從綜合的觀點(diǎn)看 ，還沒有一種十全十美的電路。 　從電路隔離方式看，igbt驅(qū)動器可分成兩大類，一類采用光電耦合器，另一類采用脈沖變壓器，兩者均可實(shí)現(xiàn)信號的傳輸及電路的隔離。 　下面以日本富士公司的 exb841 驅(qū)動器為例 ，簡單說明光電耦合驅(qū)動器的工作原理（見圖）。圖中 + 20v驅(qū)動電源通過r1 和v5 分為+15v及 + 5v兩部分。當(dāng)來自控制電路的控制脈沖進(jìn)入光電耦合器v1 后 ，放大器使v3 導(dǎo)通 ，gbt柵極即得到一個 +15v 驅(qū)動信號并導(dǎo)通。當(dāng)控制信號消失后 ，v4 導(dǎo)通 ，此時igbt即得到一個 - 5v 的柵源電壓并截止。igbt在導(dǎo)通期間過流時 ，會脫離飽和狀態(tài) ，此時uds升高。驅(qū)動器內(nèi)的保護(hù)電路通過 v6 檢測到這一狀態(tài)后 ，一方面在 10μs 內(nèi)逐步降低柵壓 ，使 igbt進(jìn)入軟關(guān)斷狀態(tài) ，另一方面通過光耦 v2 向控制電路發(fā)出過流信號。

　　光電耦合驅(qū)動器的最大特點(diǎn)是雙側(cè)都是有源的 ，由它提供的正向脈沖及負(fù)向封鎖脈沖的寬度可以不受限制 ，而且可以較容易地通過檢測 igbt通態(tài)集電極電壓實(shí)現(xiàn)各種情況下的過流及短路保護(hù) ，并對外送出過流信號。目前國內(nèi)外都趨向于把這種驅(qū)動器做成厚膜電路的形式 ，因此具有使用較方便 ，一致性及穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn)。其不足之處是需要較多的工作電源。例如 ，全橋式開關(guān)電源一般需要四個工作電源 ，從而增加了電路的復(fù)雜性。驅(qū)動器中的光電耦合器盡管速度較高 ，但對脈沖信號仍會有 1μs左右的滯后時間 ，不適應(yīng)某些要求較高的場合。光電耦合器的輸入輸出間耐壓一般為交流2500v ，這對某些場合是不夠的。例如 ，許多逆變焊機(jī)的輸出直接反饋到控制電路 ，而國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)卻規(guī)定焊機(jī)輸入輸出之間應(yīng)能承受交流 電壓 從而給電路的設(shè)計增加了困4000v ，難。另外 一旦 燒壞 驅(qū)動器通常也隨之， igbt ，燒毀 從而增加了維修的復(fù)雜性及費(fèi)用。

　　二、驅(qū)動電路的基本性能

　　IGBT器件的發(fā)射極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，直流電不能通過，因而低頻的靜態(tài)驅(qū)動功率接近于零。但是柵極和發(fā)射極之間構(gòu)成了一個柵極電容CGs，因而在高頻率的交替導(dǎo)通和關(guān)斷時需要一定的動態(tài)驅(qū)動功率。小功率IGBT的CGs一般在10~l00pF之內(nèi)，對于大功率的絕緣柵功率器件，由于柵極電容CGs較大，在1~l00pF，甚至更大，因而需要較大的動態(tài)驅(qū)動功率。

　　IGBT柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生，柵極驅(qū)動電路設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到由IGBT構(gòu)成的系統(tǒng)長期運(yùn)行可靠性。正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令I(lǐng)GBT產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。

　　IGBT正柵壓VGE越大，導(dǎo)通電阻越低，損耗越小。但是，如果VGE過大，一旦IGBT過流，會造成內(nèi)部寄生晶閘管的靜態(tài)擎柱效應(yīng)，造成IGBT失效。相反如果VGE過小，可能會使IGBT的工作點(diǎn)落人線性放大區(qū)，最終導(dǎo)致器件的過熱損壞。在任何情況下，開通時的柵極驅(qū)動電壓，應(yīng)該在12~20V之間。

　　當(dāng)柵極電壓為零時，IGBT處于斷態(tài)。由于IGBT的關(guān)斷過程可能會承受很大的dv/dt，伴隨關(guān)斷浪涌電流，干擾柵極關(guān)斷電壓，可能造成器件的誤開通。為了保證IGBT在集電極-發(fā)射極電壓上出現(xiàn)dv/dt噪聲時仍保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還可減少關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該在—5~—15V之間。理想的心鄒驅(qū)動再路應(yīng)具有以下基本性能：

　　1）要求驅(qū)動電路為IGBT提供一定幅值的正反向柵極電壓VGE。理論上VGE≥VGE（th），IGBT即可導(dǎo)通；當(dāng)VGE太大時，可能引起柵極電壓振蕩，損壞柵極。正向VGE越高，IGBT器件的VGES越低，越有利于降低器件的通態(tài)損耗。但也會使IGBT承受短路電流的時間變短，并使續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓增大。因此正偏壓要適當(dāng)，一般不允許VGE超過+20V。關(guān)斷IGBT時，必須為IGBT器件提供—5~—15V的反向VGE，以便盡快抽取IGBT器件內(nèi)部的存儲電荷，縮短關(guān)斷時間，提高IGBT的耐壓和抗干擾能力。采用反偏壓可減少關(guān)斷損耗，提高IGBT工作的可靠性。

　　2）要求驅(qū)動電路具有隔離的輸入、輸出信號功能，同時要求在驅(qū)動電路內(nèi)部信號傳輸無延時或延時很小。

　　3）要求在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻RG，用以控制VGE的前后沿陡度，進(jìn)而控制IGBT器件的開關(guān)損耗。RG增大，VGE前后沿變緩，IGBT開關(guān)過程延長；開關(guān)損耗增加；RG減小，VGE前后沿變陡，IGBT器件開關(guān)損耗降低，同時集電極電流變化率增大。較小的柵極電阻使得IGBT的導(dǎo)通di/dt變大，會導(dǎo)致較高的dv/dt，增加了續(xù)流二極管恢復(fù)時的浪涌電壓。因此，在設(shè)計柵極電阻時要兼顧到這兩個方面的問題。因此，RG的選擇應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量、額定電壓及開關(guān)頻率，一般取幾歐姆到幾十歐姆。

　　4）驅(qū)動電路應(yīng)具有過壓保護(hù)和dv/dt保護(hù)能力。當(dāng)發(fā)生短路或過電流故障時，理想的驅(qū)動電路還應(yīng)該具備完善的短路保護(hù)功能。

　　柵極驅(qū)動功率

　　IGBT要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動負(fù)、正偏置電壓的差值△VGE、柵極總電荷Qc和工作頻率Fs的影響。驅(qū)動電路電源的最大峰值電流IGPK為

　　IGPK=±（△VGE/RG）

　　驅(qū)動電路電源的平均功率PAV為

　　PAV=AVCE×Qc×Fs

　　驅(qū)動電路電源應(yīng)穩(wěn)定，能提供足夠高的正負(fù)柵壓，電源應(yīng)有足夠的功率，以滿足柵極對驅(qū)動功率的要求。在大電流應(yīng)用場合，每個柵極驅(qū)動電路最好都采用獨(dú)立的分立的隔離電源。驅(qū)動電路的電源和控制電路的電源應(yīng)獨(dú)立設(shè)置，以減小相互間的干擾，推薦使用帶多路輸出的開關(guān)電源作為驅(qū)動電路電源。