大功率IGBT 驅動保護方法研究進展綜述

劉海紅，楊 媛，劉海鋒

（1. 陜西省電子信息產品監督檢驗院 陜西 西安710004；2.西安理工大學 陜西 西安710048 ）

功率半導體器件自上世紀70 年代問世以來，經過40 余年的發展，已經有了長足的發展[1]。 IGBT 集成了高電壓大電流晶閘管制造技術和大規模集成電路微細加工技術，表現出很好的綜合性能，其在大功率領域表現出強大的生命力。 與其他電力電子器件相比，IGBT 具有高可靠性、 驅動簡單、保護容易、開關頻率高、電壓型驅動、驅動功率小、飽和壓降低、可耐高電壓大電流等特點，在汽車電子、消費電子、軌道交通、電力領域、新能源等各個傳統和新興的領域得到了廣泛的應用。

與IGBT 并行發展的是其驅動器， 它是功率器件和控制信號之間非常重要的接口電路， 在IGBT 正常工作中扮演者舉足輕重的作用。 IGBT 驅動器應包括高等級電壓隔離功能，驅動功能，故障檢測及保護功能。

1 IGBT 過流檢測與保護方法

IGBT 工作在高電壓大電流的惡劣環境之下， 常常因各種原因而失效損壞。 失效損壞的種類如下：過熱損壞，超出關斷安全工作區引起鎖定效應而損壞，過電流損壞，過壓造成集電極與發射極擊穿，過壓造成柵極與發射極擊穿。 其中，過流損壞是這幾類損壞中最主要的一個， 因為無論是過熱損壞、 集射極間過壓損壞， 還是柵射極間過電壓損壞， 都跟IGBT 的過電流有直接關系。在實際運行過程中，IGBT 在大多數情況下是由過流造成損壞。 在短路的錯誤狀態下，從錯誤發生到器件損壞的時間非常短，一般IGBT 最多能承受10 μs的短路電流。 為了保證整個系統平穩，正常、智能運行， IGBT的保護電路的意義就更為突出，特別是過流保護功能。

目前， 各國科研人員對于IGBT 電流檢測與過流保護做了深入的研究，過流檢測與保護的方法種類很多，歸納起來都有以下方法：電流傳感器檢測，鏡像電流檢測，Vce 退保和檢測，分流器檢測，門級電壓檢測，寄生電感LeE 檢測di/dt[2]。不同的檢測方法都有相應的優缺點。

1.1 電流傳感器檢測

使用電流傳感器對IGBT 集電極電流或母線電流進行檢測，若發生電流異常，發出故障信號，并進行相關處理，使用的器件一般為霍爾器件或羅氏線圈[3]。 這種方法廣泛應用于產品中， 可以實現測量回路與被測回路之間的電氣絕緣，避免了測量回路與一次電流之間的直接電連接, 原理簡單可靠，長期可靠性和溫度穩定性均有保障。 但是由于霍爾器件本身受其制作材料的影響，會產生磁阻效應、不等位電勢以及溫漂。 羅氏線圈受其本身材料的限制。 線圈骨架和繞制的非均勻性將帶來很大的測量誤差，嚴重影響線圈的抗干擾能力；溫度將使線圈的骨架發生變化，從而引起線圈互感和自感系數變化，影響測量精度：輸出信號較弱，易受外界電磁場的干擾。 此外，電流傳感器體積較大、價格較高、需要外界電源的支持。

1.2 鏡像電流檢測

在鏡像IGBT 中， 一小部分的IGBT 單元和一個用于檢測的發射極電阻相結合，并聯于主IGBT 的電流臂上。導通的集電極電流通過測量電阻，便可以獲得其電流檢測值。 其測量原理簡單，但需要額外的IGBT,工藝復雜度提升，模塊的成本比較高，存在傳導損耗。

1.3 分流器檢測

利用分流器測量電流時， 是將電阻值已知的分流器串聯在IGBT 的發射端，如圖1 所示，通過測量或者觀測分流器兩端的引出電壓，即可獲得被測電流的大小或波形。 制造分流器的材料必須擁有較好的散熱性能，材料的電阻率必須擁有極高的長期穩定性和可靠的溫度穩定性，制造分流器的材料有多種，比較常用的有康銅和錳銅等合金金屬。 分流器的原理簡單，在電流測量中，表現出極高的精度和較快的響應速度，而且可靠性高。 但分流器是串聯在大電流的通路中，會有比較大的功率損耗和發熱量，而且體積比較大。

圖1 分流器檢測方法Fig. 1 Shunt detection method

1.4 Vce 退飽和檢測

由于IGBT 的飽和導通特性， 當集電極電流Ic 從IGBT中流過時，會在集電極-發射極產生一定的壓降Vce， Vce與Ic成正比，Vce 最能有效的反應IGBT 過流。 利用這一特性，可以對IGBT 的過流進行檢測并實施保護[4]。 如圖2 所示，這種方法原理簡單，不需電流傳感器件，只需簡單的二級管和比較電路，成本低，目前已產品化的驅動都是采用這種方法。 但在IGBT 開通瞬間，IGBT 的Vce從母線電壓降到飽和導通電壓需要1～5 μs 的時間，稱為檢測盲區，此段時間內不能對其進行檢測。如果IGBT 開通于短路的狀態下，開通瞬間將產生很大的過流，由于Vce有一段檢測盲區不能檢測到過流，這嚴重威脅著IGBT 的安全使用。

1.5 柵極電壓檢測

圖2 Vce 退飽和檢測方法Fig. 2 Vce desaturation detection method

在IGBT 正常開通過程中，柵極電壓先以較快的速度上升到米勒平臺電壓，由于米勒電容的存在，要經歷一段時間的米勒平臺，最后再以較快的速度升到15 V。 如果開通于短路的電路中，由于IGBT 不會進入飽和區，沒有米勒電容對柵極電壓的影響，柵極電壓會以恒定的速率增大到15 V；若開通后發生短路，柵極電壓降會產生一個尖峰。 根據正常情況與短路情況下的不同點，可以對柵極電壓進行檢測，若檢測到故障，對其進行相關的處理。 這種短路電流檢測方法，由于直接對柵極進行動態檢測，無需隔離電路，反應速度非常快，沒有檢測盲區，而且易集成[5-8]。 但柵極電壓受寄生電容、電感的影響非常大，柵極電壓檢測的保護電路設計復雜，對噪聲敏感，易受干擾，可靠性不高。

圖3 柵極電壓檢測方法Fig. 3 Gate voltage detection method

1.6 寄生電感L eE 檢測d i/d t

封裝后的IGBT 有兩個發射極端， 一個是輔助發射端,另一個是功率發射極E,在輔助發射端e 和功率發射端E 之間有一個很小的寄生電感LeE，這個很小的寄生電感LeE可以反映出集電極電流Ic的變化率。 當IGBT 處在短路時，Ic迅速增大，d i/d t 增大，通過相應的電路就可以捕捉到這個瞬間，隨后進行相應的保護動作。 通過di/dt 可以實現動態監測[9-11]，沒有檢測盲區，相應的保護電路容易集成，成本低。 但LeE的值比較小，保護電路中的寄生電感對其影響比較大，而且LeE值的大小難以確定。 目前，國外很少一部分IGBT 驅動應用此方法。

圖4 d i/d t 檢測方法Fig. 4 d i/d t detection method

2 驅動方法

由于IGBT 結合雙極型晶體管和MOSFET 的結構，表現出獨有的開關特性。 如圖5 所示，在IGBT 開通過程中，過高的d i/d t 會形成一個過沖電流，再加之續流二極管的反向恢復電流，使Ic會有一個很高的尖峰。 在IGBT 關斷時，集電極電流Ic迅速下降，高 通過雜散電感和負載電感的原因，在集電極-發射極間產生一個高的尖峰電壓。在IGBT 開通與關斷過程中，由于Ic與Vce存在同時不為零的交疊區，因此會產生可觀的開關損耗，而且開關損耗的大小由開關的快慢決定。

圖5 IGBT 開關特性Fig. 5 IGBT switch charateristics

可靠的IGBT 驅動器應該兼顧開通電流尖峰、 關斷電壓尖峰以及開關損耗。 目前IGBT 驅動器根據不同的柵極驅動方式可分為以下幾種。

2.1 固定柵電阻驅動

此驅動方式是最為普遍的， 現有驅動大都采用這種方式。 如圖6 所示，開通和關斷通過固定的柵極電阻控制，控制簡單，但不能兼顧開關損耗和電流、電壓尖峰。

圖6 固定柵電阻驅動Fig. 6 Fixed gate resistance drive

2.2 多等級動態柵電阻驅動

如圖7 所示， 此方式是在IGBT 開通和關斷的過程中，通過檢測IGBT 的運行狀態，動態的控制多等級開關，從而控制柵極驅動電阻的阻值。 開通時，當處在①③④階段時，使用較小的柵極開通電阻，加速開通，當處在②階段時使用較大的電阻開通，減小由高di/dt 和續流二級管反向恢復引起的電流尖峰；當IGBT 關斷時處在II、IV 階段時，使用較小柵極關斷電阻，加速關斷，減小開關損耗。

圖7 多等級動態柵電阻驅動Fig. 7 Multi-level dynamic gate resistance drive

2.3 動態電流源驅動

此方式與上述動態柵電阻驅動類似， 通過檢測IGBT 的運行狀態，如圖8 所示，動態的控制電流源開通。 當IGBT 開通時處在①③階段，控制電流源往柵極注入電荷，加速開通；當IGBT 關斷時處在II、IV 階段時，控制電流源從柵極抽取電荷，加速關斷，減小開關損耗。

圖8 動態電流源驅動Fig. 8 Dynamic current source drive

2.4 多等級電壓驅動

如圖9 所示，該方式在開通過程中，柵極電壓先上升到中間某位置并保持短暫的時間，之后再上升到最終的柵極電壓，可以減小由高d i/d t 和續流二級管反向恢復引起的電流尖峰。 在關斷過程中，柵極電壓先下降到中間某位置并保持短暫的時間，之后再將為關斷電壓，可以減小由高di/dt 引起的關斷峰值電壓。

圖9 多等級電壓驅動Fig. 9 Multi-level voltage drive

3 結論

本文根據柵極驅動方式將驅動為四類，根據對過流信號的檢測及過流保護方式，將過流檢測與保護分為六類。 隨著科學技術的不斷發展，IGBT 的驅動與保護電路功能將不斷完善，可靠性不斷提高。 為滿足更智能化的驅動，實現軟開通軟關斷，發展多等級驅動方式已是IGBT 驅動的發展趨勢。保護功能要滿足高可靠性、低成本，對于過流保護將采取多種檢測、保護方式共用。 隨著IGBT 器件的更新，將會產生更加新穎的驅動保護技術。

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