IGBT驱动电路的相关分析与研究

蔺志鹏

（河北科技师范学院机电工程学院，河北 秦皇岛 066600）

0 引言

IGBT和控制电路需要通过驱动电路接口连接，驱动电路对IGBT系统正常运行有着很大影响，所以必须要做好驱动电路的选择与设计工作。

1 IGBT的驱动电路的形式

IGBT及其驱动电路的一般形式，如图1所示，一般采用对管推挽式开关放大输出，供电电源多采用双电源供电，正电源为+15V，负电源为-10V，也有少数电路省去负电源，采用单电源供电的。

2 IGBT驱动电路的核心参数

IGBT驱动电路的性能优劣会影响到IGBT的工作性能，进而影响变流设备整体性能，所以保证IGBT驱动电路设计的科学性，可以确保变流设备各项性能指标符合标准。

2.1 IGBT驱动电路功率

驱动电路功率作为IGBT驱动电路设计的核心，可以分为平均功率、瞬时峰值功率。平稳驱动IGBT必须要保证驱动电路功率的合理性，确保IGBT开关动作更加可靠。结合IGBT规定标准确定驱动电路功率。

优化驱动电路的功率可以通过负关断电压控制。如果负关断电压较低，会造成大功率驱动情况。根据IGBT的功率和参数手册，不考虑驱动电路体积和成本等因素，建议采用-5～-10V电压提升关断可靠性，并且还可以有效减少驱动功率。对于追求小体积和低成本的小功率IGBT驱动，可以采用单一电源供电。

2.2 饱和压降

为了降低IGBT通态损耗，就要严格控制导通时的饱和电压，这就需要有较高驱动开通电压，最高不超过+20V。结合以往设计经验，通常将开通电压控制在+15V为最佳。

2.3 IGBT寄生参数

功率回路、驱动电路直接受到IGBT寄生参数的影响，所以必须要提高对寄生参数的关注度。寄生参数包括输入电容、输出电容、米勒电容，这些参数都会直接给IGBT开关动作特性、驱动电路参数造成影响[1]。

2.4 IGBT管的米勒电容引发的米勒效应

当IGBT在开关时，普遍会遇到的一个问题，即由于寄生米勒电容Cg而产生的米勒平台，如图2所示，基于IGBT栅极G与集电极C之间的耦合，在IGBT关断期间会产生一个很高的瞬态dv/dt，这样会引发栅极G与发射极E间的电压升高，而使IGBT误导通，很容造成IGBT损坏[2]。

米勒效应在IGBT的单电源驱动中产生的影响尤为明显，常用如下方法来解决：一是改变栅极电阻，常采用不同的电阻分别进行开通和关断；二是在G和E之间适当增加电容；三是G和E之间并入额外晶体管PNP的有源钳位技术。

3 栅极保护与电压应力抑制

3.1 IGBT栅极保护

IGBT的栅极和发射极之间氧化膜很薄，因此过电压有可能击穿保护膜。对于普通的IGBT来说，栅极和发射极之间的电压不允许超过±20V，如果出现超压情况，就会造成IGBT损坏。所以，需要在栅极、发射极之间增设保护电路，确保IGBT系统可以安全平稳运行。

造成IGBT栅极超压损坏的原因：首先是变流设备的生产、运输、安装过程中，如果在此期间静电电荷不断累积，栅极G和发射集E之间静电累积不断增加，一旦超出了可承受能力，就会将IGBT栅极氧化层击穿，造成IGBT损坏[3]。其次是变流设备正常运行中，由于电路中电压、电流、磁场的突然变化，在栅极和发射极之间产生尖峰电压，对IGBT安全性带来很大威胁。

3.2 IGBT集射极间电压抑制

在IGBT正常运行当中，如果集电极C与发射极E间的电压超过IGBT所能承受电压，就会出现击穿损坏。IGBT产生过压现象主要是因为电路中电流突变，由IGBT集射极间电压V、电路杂散电感L、电流变化率D（主要是指电流下降速率di/dt）之间的关系，可知（V=L*di/dt）[4]。关断电压大小受到两个方面影响：电路中杂散电感量和电流变化率。所以降低关断电压也可以从两个方面出发：首先是减少线路中杂散电流（寄生电感量），但该方法成效有限；其次是在电路设计中减小电流变化率。下文主要是采用第二种方法。

针对电路中电流变化率较大的情况，可以在电流较大时自动关断IGBT，如：在变流器过流、变流器短路时。为了减小电流的变化率，可以采用的方法有：首先，应用有源钳位，也就是在检测到电压过高时，高压信号反馈到栅极，主动向栅极注入电流，这样关断的IGBT再次开通，降低电流变化率从而降低关断电压[5]。其次，采集IGBT集电极电压，检测到电压较高时接通逻辑电路，实现缓慢关断，相当于增大了栅极驱动电阻，降低了电流变化率。

4 IGBT过流保护与短路保护

4.1 IGBT过流保护

变流器过电流的情况在使用过程中难以避免，一旦出现了过流情况，由于IGBT承担功率变化，所以电流变大会影响IGBT可靠性。IGBT运行中可以分为两种形态：一是关断、二是导通。导通时，由于是处于非线性区的饱和导通，管压降非常小，损耗也就非常小。一旦发生了IGBT过流情况，如果处理不及时，IGBT电流会逐渐上升，达到额定电流的3倍以上，此时将产生IGBT将退出饱和，而进入线性放大区[6]。放大区中，IGBT的电流增加，管压降增大，让IGBT瞬时功率增加。一旦IGBT过流超出安全范围，就会出现过功率损坏风险。

针对此类问题，必须要在IGBT过流时保证安全，第一时间关断，但是关断速度过快，代表电流变化率非常大，导致IGBT在关断过程中会产生电压尖峰，威胁IGBT运行安全。因此，在关断过程中可以采用有源钳位、软关断等方法，实现电压应力抑制[7]。这样一旦IGBT发生过流，便可以更加安全的关断。

4.2 IGBT短路保护

如果变流器中的负载侧故障，会直接产生短路情况，输出电流会大幅度增加，流过IGBT的电流也会快速飙升[8]。通常IGBT短路有两种情况：一是变流器桥臂中发生直通，回流路径小、等效负载小（无限接近0）；二是在变流器负载侧出现短路情况，此时等效短路阻抗大，比如，负载电动机电缆破损产生的短路就属于这种情况，是变流器较为严重的短路问题。在产生短路问题时，如果不及时采取措施，会直接让IGBT退出饱和而进入放大区，其瞬时耗散功率突然剧增而造成损坏。这就要求在发生短路时，不仅要及时关断IGBT，而且为了保持电流变化率，关断速度要控制得比较平缓，以免因快速关断而产生过电压造成IGBT 损坏。产生桥臂直通短路故障时，IGBT工作电流快速上升，在短时间内产生退饱和电流，如果此时快速关断IGBT，会产生非常大的尖峰电压，甚至直接超过限值。所以这类短路也要缓慢关断IGBT[9-10]。

很多专用IGBT驱动集成电路都具备IGBT软关断功能，如M57962AL、HCPL316J等，并且M57962AL还可以外部调节软关断时间。

5 结语

综上所述，在IGBT驱动电路设计当中，除了要确保驱动电路性能符合标准，还要保证IGBT驱动电路可以安全、平稳运行，在极各种端情况下保证IGBT不受损坏。本文通过IGBT驱动电路参数、栅极保护与过电压抑制、过流与短路保护三个方面进行了分析，旨在保证IGBT系统运行的安全有效性。