IGBT概述-常見(jiàn)幾種IGBT驅(qū)動(dòng)電路及IGBT保護(hù)方法詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-06-03
IGBT是絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
IGBT驅(qū)動(dòng)電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)IGBT，保證IGBT的可靠工作，驅(qū)動(dòng)電路起著至關(guān)重要的作用，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的基本要求如下：
（1） 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGBT可靠的開(kāi)通和關(guān)斷。
（2） 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時(shí)電流，使IGBT能迅速建立柵控電場(chǎng)而導(dǎo)通。
（3） 盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間，以提高工作效率。
（4） 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣。
（5） 具有靈敏的過(guò)流保護(hù)能力。
EXB841 工作原理如圖1，當(dāng)EXB841的14腳和15腳有10mA的電流流過(guò)1us以后IGBT正常開(kāi)通，VCE下降至3V左右，6腳電壓被 鉗制在8V左右，由于VS1穩(wěn)壓值是13V，所以不會(huì)被擊穿，V3不導(dǎo)通，E點(diǎn)的電位約為20V，二極管VD截止，不影響V4和V5正常工作。
當(dāng) 14腳和15腳無(wú)電流流過(guò)，則V1和V2導(dǎo)通，V2的導(dǎo)通使V4截止、V5導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過(guò)V5迅速放電，引腳3電位下降至0V，是 IGBT柵一 射間承受5V左右的負(fù)偏壓，IGBT可靠關(guān)斷，同時(shí)VCE的迅速上升使引腳6“懸空”。C2的放電使得B點(diǎn)電位為0V，則V S1仍然不導(dǎo)通，后續(xù)電路不動(dòng)作，IGBT正常關(guān)斷。
如有過(guò)流發(fā)生，IGBT的V CE過(guò)大使得VD2截止，使得VS1擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過(guò)R7放電，D點(diǎn)電位下降，從而使IGBT的柵一射間的電壓UGE降低 ，完成慢關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的保護(hù)。由EXB841實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的過(guò)程可知，EXB841判定過(guò)電流的主要依據(jù)是6腳的電壓，6腳的電壓不僅與VCE 有關(guān)，還和二極管VD2的導(dǎo)通電壓Vd有關(guān)。
典型接線(xiàn)方法如圖2，使用時(shí)注意如下幾點(diǎn)：
a、IGBT柵-射極驅(qū)動(dòng)回路往返接線(xiàn)不能太長(zhǎng)（一般應(yīng)該小于1m），并且應(yīng)該采用雙絞線(xiàn)接法，防止干擾。
b、由于IGBT集電極產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖，增加IGBT柵極串聯(lián)電阻RG有利于其安全工作。但是柵極電阻RG不能太大也不能太小，如果 RG增大，則開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，使得開(kāi)通能耗增加;相反，如果RG太小，則使得di/dt增加，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通。
c、圖中電容C用來(lái)吸收由電源連接阻抗引起的供電電壓變化，并不是電源的供電濾波電容，一般取值為47 F。
d、6腳過(guò)電流保護(hù)取樣信號(hào)連接端，通過(guò)快恢復(fù)二極管接IGBT集電極。
e、14、15接驅(qū)動(dòng)信號(hào)，一般14腳接脈沖形成部分的地，15腳接輸入信號(hào)的正端，15端的輸入電流一般應(yīng)該小于20mA，故在15腳前加限流電阻。
f、為了保證可靠的關(guān)斷與導(dǎo)通，在柵射極加穩(wěn)壓二極管。
M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動(dòng)電路采用雙電源（+15V，- 10V）供電，輸出負(fù)偏壓為-10V，輸入輸出電平與TTL電平兼容，配有短 路/過(guò)載保護(hù)和 封閉性短路保護(hù)功能，同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性。其分別適合于驅(qū)動(dòng)1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其 以下的 IGBT.M57959L/M57962L在驅(qū)動(dòng)中小功率的IGBT時(shí)，驅(qū)動(dòng)效果和各項(xiàng)性能表現(xiàn)優(yōu)良，但當(dāng)其工作在高頻下時(shí)，其脈沖前后沿變的較差，即信 號(hào)的最大傳輸寬度受到限制。且厚膜內(nèi)部采用印刷電路板設(shè)計(jì)，散熱不是很好，容易因過(guò)熱造成內(nèi)部器件的燒毀。
日本三菱公司的M57959L集成IGBT專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片它可以作為600V/200A或者1200V/100A的IGBT驅(qū)動(dòng)。其最高頻率也達(dá)40KHz，采用雙電源 供電（+15V和-15V）輸出電流峰值為±2A，M57959L有以下特點(diǎn)：
（1） 采用光耦實(shí)現(xiàn)電器隔離，光耦是快速型的，適合20KHz左右的高頻開(kāi)關(guān)運(yùn)行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻，可將5V電壓直接加到輸入 側(cè)。
（2） 如果采用雙電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，輸出負(fù)柵壓比較高，電源電壓的極限值為+18V/-15V，一般取+15V/-10V。
（3） 信號(hào)傳輸延遲時(shí)間短，低電平-高電平的傳輸延時(shí)以及高電平-低電平的傳輸延時(shí)時(shí)間都在1.5μs以下。
（4） 具有過(guò)流保護(hù)功能。M57962L通過(guò)檢測(cè)IGBT的飽和壓降來(lái)判斷IGBT是否過(guò)流，一旦過(guò)流，M57962L就會(huì)將對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷，并輸出過(guò) 流故障信號(hào)。
（5） M57959的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，這一電路的驅(qū)動(dòng)部分與EXB系列相仿，但是過(guò)流保護(hù)方面有所不同。過(guò)流檢測(cè)仍采用電壓采樣，電路特 點(diǎn)是采用柵壓緩降，實(shí)現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷。
避免了關(guān)斷中過(guò)電壓和大電流沖擊，另外，在關(guān)斷過(guò)程中，輸入控制信號(hào)的狀態(tài)失去作用，既保護(hù)關(guān)斷是在封閉狀態(tài)中完成的。當(dāng)保護(hù)開(kāi)始時(shí)，立即送出故障信號(hào)，目的是切斷控制信號(hào)，包括電路中其它有源器件。
集成驅(qū)動(dòng)模塊采用+15V單電源供電，內(nèi)部集成有過(guò)流保護(hù)電路，其最大的特點(diǎn)是具 有安全性、智能性與易用性。2SD315A能輸出很大的峰 值電流（最大瞬時(shí)輸出電流可達(dá)±15A），具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和很高的隔離電壓能力（4000V）。2SD315A具有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出通道，適合于驅(qū) 動(dòng)等級(jí)為1200V/1700V極其以上的兩個(gè)單管或一個(gè)半橋式的雙單元大功率IGBT模塊。其中在作為半橋驅(qū)動(dòng)器使用的時(shí)候，可以很方便地 設(shè)置死區(qū)時(shí)間。
2SD315A內(nèi)部主要有三大功能模塊構(gòu)成，分別是LDI（Logic To Driver Interface，邏輯驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換接口）、IGD（Intelligent Gate Driver，智能門(mén)極驅(qū)動(dòng)）和輸入與輸出相互絕緣的DC/DC轉(zhuǎn)換器。
當(dāng)外部輸入PWM信號(hào)后，由LDI進(jìn)行編碼處理，為保證信號(hào)不受外界條件的 干擾，處理過(guò)的信號(hào)在進(jìn)入IGD前需用高頻隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離。從隔離變壓器另一側(cè) 接收到的信號(hào)首先在IGD單元進(jìn)行解碼，并把解碼后的PWM信號(hào)進(jìn)行放大（±15V/±15A）以驅(qū)動(dòng)外接大功率IGBT。
當(dāng)智能門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元IGD內(nèi)的 過(guò)流和短路保護(hù)電路檢測(cè)到IGBT發(fā)生過(guò)流和短路故障時(shí)，由封鎖時(shí)間邏輯電路和狀態(tài)確認(rèn)電路產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間和封鎖時(shí)間，并把此時(shí)的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行編碼送 到邏輯控制單元LDI。LDI單元對(duì)傳送來(lái)的IGBT工作狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行解碼處理，使之在控制回路中得以處理。為防止2SD315A的兩路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)相互 干擾，由DC/DC轉(zhuǎn)換器提供彼此隔離的電源供電。
a、工作模式
驅(qū)動(dòng)模塊的模式選擇端MOD外接+15V電源，輸入引腳RC1和RC2接地，為直接工作模式。邏輯控制電平采用+15V，信號(hào)輸入管腳InA、 InB連 接在一起接收來(lái)自單片機(jī)的脈沖信號(hào)。2SD315A的SO1和SO2兩只管腳輸出通道的工作狀態(tài)。當(dāng)MOD接地時(shí)，MOD接地。通常半橋模式都是驅(qū)動(dòng)一個(gè) 直流母線(xiàn)上的一個(gè)橋臂，為避免上下橋臂直通必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間，在死區(qū)時(shí)間里兩個(gè) 管子同時(shí)關(guān)斷。
因此，RC 1、RC2端子必須根據(jù)要求外接RC網(wǎng)絡(luò)來(lái)產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間一般可以從100n，到幾個(gè)ms。圖中所示的RC 1、 RC2分別連接lOk.的電阻和100pF的電容，這樣產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間大約是500ns.
b、端口VL/Reset
這個(gè)端子是用來(lái)定義具有施密特性質(zhì)的輸入InA和InB的，使得輸入在2/3VL時(shí)開(kāi)通，在I/3 VL時(shí)作為關(guān)斷信號(hào)。當(dāng)PWM信號(hào)是TTL電平時(shí)， 該端子連接如圖3-5所示，當(dāng)輸入InA和InB信號(hào)為15V的時(shí)候，該端子應(yīng)該通過(guò)一個(gè)大約1K左右的電阻連接到++15V電源上，這樣開(kāi)啟和關(guān)斷電壓 分別應(yīng)該是lov和5V。另外，輸入U(xiǎn)L/Reset端還有另外的功能：如果其接地，則邏輯驅(qū)動(dòng)接口單元l.DI001內(nèi)的錯(cuò)誤信息被清除。
c、門(mén)極輸出端
門(mén)極輸出Gx端子接電力半導(dǎo)體的門(mén)極，當(dāng)SCALE驅(qū)動(dòng)器用15V供電的時(shí)候，門(mén)極輸出土15V.負(fù)的門(mén)極電壓由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部產(chǎn)生。使用如圖3-6 結(jié)構(gòu)的電路可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)通和關(guān)斷的速度的不一樣，增加了用戶(hù)使用的靈活性。
d、布局和布線(xiàn)
驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該盡可能近的和功率半導(dǎo)體放在一起，這樣從驅(qū)動(dòng)器到電力晶體管的引線(xiàn)就會(huì)盡可能的短，一般來(lái)說(shuō)驅(qū)動(dòng)器的連線(xiàn)盡量不要長(zhǎng) 過(guò)10厘米。同時(shí)一般要求到集電極和發(fā)射極的引線(xiàn)采用絞合線(xiàn)，還有可以在IGBT的門(mén)極和發(fā)射極之間連接一對(duì)齊納穩(wěn)壓二極管（15~18V） 來(lái)保護(hù)IGBT不會(huì)被擊穿。
驅(qū)動(dòng)模塊的模式選擇端MOD外接+15V電源，輸入引腳RC1和RC2接地，為直接工作模式。邏輯控制電平采用+15V，信號(hào)輸入管腳InA、 InB連 接在一起接收來(lái)自單片機(jī)的脈沖信號(hào)，進(jìn)行同步控制。2SD315A的SO1和SO2兩只管腳外接三極管和光耦用來(lái)向單片機(jī)輸出兩輸出通道的 工作狀態(tài)，其輸出端結(jié)構(gòu)皆為集電極開(kāi)路輸出，可以通過(guò)外接上拉電阻以適用于各種電平邏輯。 在管腳SO1、SO2和電源之間以及VisoX 和LSX之間加發(fā)光二極管進(jìn)行故障指示。正常情況下SO1和SO2輸出皆為高電平，上電后D3和D4先亮，延時(shí)幾秒后熄滅，同時(shí)D8和D15發(fā)亮。
當(dāng)檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)，SO1和SO2的輸出電平被拉低到地，即D3和D4發(fā)亮，同時(shí)D8和D15閃爍。2SD315A是通過(guò)監(jiān)測(cè)UCE（sat）來(lái) 判斷回路是否 短路和過(guò)流，當(dāng)檢測(cè)到一路或兩路發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象時(shí)，檢測(cè)電路會(huì)把異常狀態(tài)回饋到驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)并將它 鎖存，鎖存時(shí)間為1s，在這段時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)模塊不再輸出信號(hào)，而是將兩組IGBT及時(shí)關(guān)斷予以保護(hù)。
同時(shí)，狀態(tài)輸出管腳SO1和SO2的高電平 被拉低，光耦TLP521導(dǎo)通，兩路狀態(tài)信號(hào)通過(guò)或門(mén)74LS32送給單片機(jī)。為防止因關(guān)斷速度太快在IGBT的集電極上產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)，在門(mén)極輸出 端采用如圖所示的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開(kāi)通和關(guān)斷速度的不同。開(kāi)通時(shí)門(mén)極電阻為3.4Ω，關(guān)斷時(shí)電阻為6.8Ω，二極管采用快恢 復(fù)型，這樣就使關(guān)斷速度下降到安全水平。
GBT負(fù)載短路下的幾種后果：
（1） 超過(guò)熱極限：半導(dǎo)體的本征溫度極限為250℃，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)本征溫度，器件將喪失阻斷能力，IGBT負(fù)載短路時(shí)，由于短路電流時(shí)結(jié)溫升 高，一旦超過(guò)其熱極限時(shí)，門(mén)級(jí)保護(hù)也相應(yīng)失效。
（2） 電流擎住效應(yīng)：正常工作電流下，IGBT由于薄層電阻Rs很小，沒(méi)有電流擎住現(xiàn)象，但在短路狀態(tài)下，由于短路電流很大，當(dāng)Rs上的壓降 高于0.7V時(shí)，使J1正偏，產(chǎn)生電流擎住，門(mén)級(jí)便失去電壓控制。
（3） 關(guān)斷過(guò)電壓：為了抑制短路電流，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，控制電路立即撤去正門(mén)級(jí)電壓，將IGBT關(guān)斷，短路電流相應(yīng)下降。由于短路電流大， 因此，關(guān)斷中電流下降率很高，在布線(xiàn)電感中將感生很高的電壓，尤其是在器件內(nèi)封裝引線(xiàn)電感上的這種感應(yīng)電壓很難抑制，它將使器件有過(guò)電流變?yōu)殛P(guān)斷過(guò)電壓而 失效。
（1） 減壓法：是指在故障出現(xiàn)時(shí)，降低門(mén)級(jí)電壓。由于短路電流比例于外加正門(mén)級(jí)電壓Ug1，因此在故障時(shí)，可將正門(mén)級(jí)電壓降低。
（2） 切斷脈沖方法：由于在過(guò)流時(shí)，Uce電壓升高，我們利用檢測(cè)集電極電壓的方法來(lái)判斷是否過(guò)流，如果過(guò)流，就切斷觸發(fā)脈沖。同時(shí)盡 量采用軟關(guān)斷方式，緩解短路電流的下降率，避免產(chǎn)生過(guò)電壓造成對(duì)IGBT的損壞。
下圖所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+區(qū)稱(chēng)為源區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為源極（即發(fā)射極E）。N基極稱(chēng)為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為柵極（即門(mén)極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)（包括P+和P-區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱(chēng)為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。
而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱(chēng)為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱(chēng)為漏極（即集電極C）。
IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來(lái)為NPN)晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。
反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對(duì)N-層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。
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