IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路分析

楊會(huì)玲

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014）

1 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)

IGBT 是在電力MOSFET 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。就IGBT 的結(jié)構(gòu)而言，是在N 溝道MOSFET 的漏極N 層上有附加上一層P 層的PNPN四層結(jié)構(gòu)。如圖1 所示。由于IGBT 多了一個(gè)P 層發(fā)射極，可形成PN結(jié)J1，使得IGBT 導(dǎo)通時(shí)可由P 注入?yún)^(qū)向N 基區(qū)發(fā)射載流子（空穴），對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制。因而IGBT 具有很強(qiáng)的電流控制能力。簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT 是以GTR 為主導(dǎo)元件、以MOSFET 為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)有MOSET 驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP 晶體管，RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

圖1 IGBT 的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)

2 IGBT 的工作原理

IGBT 是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動(dòng)電流跟驅(qū)動(dòng)功率都非常小。IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷是由門極電壓來(lái)控制的。門極施以正電壓時(shí)，MOSFET 內(nèi)形成溝道，并未PNP 晶體管提供基極電流，從而使IGBT 關(guān)斷。在門極上施以負(fù)電壓時(shí)，MOSFET 內(nèi)的溝道消失，PNP 晶體管的基極電流被切斷，IGBT 即為關(guān)斷。

3 IGBT 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路分析

3.1 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路要求

（1）驅(qū)動(dòng)脈沖要有足夠快的上升和下降速度，即脈沖的前后沿要求陡峭。

（2）開(kāi)通時(shí)以低電阻對(duì)柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高開(kāi)關(guān)速度。

（3）為了器件可靠導(dǎo)通，開(kāi)通脈沖電壓的幅度應(yīng)高于管子的開(kāi)啟電壓；為了防止誤導(dǎo)通，在器件截止時(shí)提供負(fù)的柵-源或柵-射電壓。

（4）出現(xiàn)短路、過(guò)流的情況下，具有靈敏的保護(hù)能力。

3.2 IGBT 過(guò)流保護(hù)電路

通常采用的保護(hù)措施是降柵壓。降柵壓旨在檢測(cè)到器件過(guò)流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(zhǎng)了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷使的，對(duì)器件保護(hù)十分有利。若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件。若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。

上述降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電流大小的關(guān)系，而在實(shí)際過(guò)程中，降柵壓的速度也是一個(gè)重要因素，它直接決定了故障電流下降的。慢降柵壓技術(shù)就是通過(guò)限制降柵壓的速度來(lái)控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的和UCE峰值。

3.3 IGBT 過(guò)壓保護(hù)電路

關(guān)斷IGBT 時(shí)，它的集電極電流下降率較高，極高的下降率降引起集電極過(guò)電壓，并且由于電路中的雜散電感與負(fù)載電感的作用，將在IGBT 的c、e 兩端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓，加之IGBT 耐過(guò)壓能力較差，這樣就會(huì)使IGBT 擊穿。因此，其過(guò)壓保護(hù)也是十分重要的。降低IGBT 集-射極間電壓UCE的方法通常有兩種：一種是增大柵極電阻RG，但RG的增大將減緩IGBT 的開(kāi)關(guān)速度，從而增加開(kāi)關(guān)損耗，此方法不太理想；還有一種就是采用緩沖吸收電路，吸收電路的作用是：當(dāng)IGBT 關(guān)斷時(shí)，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過(guò)電壓。

3.4 IGBT 過(guò)熱保護(hù)電路

由于IGBT 是大功率半導(dǎo)體器件，功率損耗使其發(fā)熱較多，加之IGBT 的結(jié)溫不能超過(guò)125℃，不宜長(zhǎng)期工作在較高溫度下，因此要采取恰當(dāng)?shù)纳岽胧┻M(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。

在實(shí)際工作中，我們采用普通散熱器與強(qiáng)迫風(fēng)冷相結(jié)合的措施，并在散熱器上安裝溫度開(kāi)關(guān)。當(dāng)溫度達(dá)到75～80℃時(shí)，通過(guò)關(guān)閉信號(hào)停止對(duì)PWM 發(fā)送控制信號(hào)，從而使驅(qū)動(dòng)器封鎖IGBT 的開(kāi)關(guān)輸出，并予以關(guān)斷保護(hù)。

［1］黃家善.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012，1.

［2］王志良.電力電子新器件及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［3］陳息坤.一種新型的IGBT 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2012.