IGBT的驅(qū)動條件 - IGBT柵極驅(qū)動的驅(qū)動條件和柵極電阻Rg的作用

　　三、IGBT的驅(qū)動條件

　　嚴(yán)格地說，能否充分利用器件的性能，關(guān)鍵取決于驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。前面講過，理論上VGE≥VGE（th），IGBT即可導(dǎo)通；一般情況下VGE（th）=5~6V，當(dāng)VGE增加時，通態(tài)壓降減小，通態(tài)損耗減?。坏獻(xiàn)GBT承受短路電流能力減?。划?dāng)VGE太大時，可能引起柵極電壓振蕩，損壞柵極。當(dāng)VGE減小時，通態(tài)壓降增加，通態(tài)損耗增加。

　　為使通態(tài)壓降最小，同時IGBT又具有較好的承受短路電流能力，通常選取VGE≥D×VGE（th），當(dāng)VGE（th）為6V，系數(shù)D分別為1.5、2、2.5、3時，VGE則分別為9V、12V、15V、18V；通常柵極驅(qū)動電壓VGE取12~15V為宜，12V最佳。IGBT關(guān)斷時，柵極加負(fù)偏壓，提高抗干擾能力，提高承受dv/dt能力，柵極負(fù)偏壓一般為-10V。

　　在IGBT柵極驅(qū)動電路設(shè)計(jì)時，應(yīng)特別注意導(dǎo)通特性、負(fù)載短路能力和dv GE/dt引起的誤觸發(fā)等問題。正偏置電壓VGE增加，通態(tài)電壓下降，導(dǎo)通能耗EON也下降，分別如圖2a和圖4-2b所示。若使VGE固定不變時，導(dǎo)通電壓將隨集電極的電流增大而增高；導(dǎo)通損耗將隨結(jié)溫升高而升高。

　　圖2 正偏置電壓VGE（ON）與VCE和EON的關(guān)系

　　a）VGE（ON）與VCE的關(guān)系b）VGE（ON）與EON的關(guān)系

　　IGBT柵極負(fù)偏電壓-VGE直接影響IGBT的可靠運(yùn)行，負(fù)偏電壓增高時集電極的浪涌電流明顯下降，對關(guān)斷能耗無顯著影響，-VGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系分別如圖3a和圖3b所示。柵極電阻RG增加，將使IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷時間增加；因而使導(dǎo)通與關(guān)斷能耗均增加。而柵極電阻減少，則又使di/dt增大，可能引發(fā)IGBT誤導(dǎo)通，同時RG上的損耗也有所增加。

　　圖3-VGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系

　　a）-VGE與集電極浪涌電流關(guān)系b）-VGE與關(guān)斷能耗Eoff的關(guān)系

　　由上述不難得知：IGBT的特性隨柵極驅(qū)動條件的變化而變化，就像。雙極型晶體管的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨基極驅(qū)動而變化一樣。然而，對于IGBT來說，柵極驅(qū)動條件僅對其關(guān)斷特性略有影響。

　　柵極驅(qū)動電路的阻抗，除了引起電流下降時間延遲外，柵極電阻還影響開關(guān)損耗。柵極電阻減小時，總損耗將減小。導(dǎo)通損耗主要由MOSFET的特性決定，關(guān)斷損耗主要由少子決定，導(dǎo)通損耗比關(guān)斷損耗受柵極電阻的影響更大。為了減小dv/dt的影響，柵極通常應(yīng)加人一個負(fù)偏壓。但是，這樣要求增加與高壓側(cè)開關(guān)器件隔離的電源。

　　柵極電壓的降低有助于控制IGBT承受短路電流的能力，降低柵極驅(qū)動電壓，能夠減小短路時的集電極電流和功耗。在IGBT柵極串人二極管、電阻網(wǎng)路，就能完成這種功能，并且響應(yīng)時間小于1μs。在IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

　　1） IGBT具有一個2.5~5V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBTr對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。柵極正向驅(qū)動電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動電壓增大時，IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減小；但若正向驅(qū)動電壓過大則負(fù)載短路時其短路電流Ic隨VGE增大而增大，可能使.IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動電壓過小會使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞；使用中選12V≤VGE≤18V為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般負(fù)偏置電壓選-5V為宜。另外，IGBT開通后驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。

　　2） IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大，因?yàn)楦咚匍_通和關(guān)斷時，會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

　　3） 選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對IGBT的驅(qū)動相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數(shù)比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce/dt，但會增加IGBT的開關(guān)時間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic/dt，CG太大，開通時間延時，CG太小對抑制dic/dt效果不明顯。

　　4） 當(dāng)IGBT關(guān)斷時，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾，而引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射問并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。

　　5） 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓VGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT因不退出飽和而損壞。

　　6） 驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。

　　7） 在大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。

　　8） 由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。

　　9） IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實(shí)用，最好自身帶有對IGBT的保護(hù)功能，并要求有較強(qiáng)的抗干擾能力。