IGBT驱动与过流保护

IGBT驱动特性探讨
△ IGBT的基本特性
IGBT结合了功率晶体管与MOSFET的优点，具备良好的频率特性，适用于中大功率应用。IGBT，这一MOSFET与双极晶体管的融合产物，不仅继承了MOSFET的易驱动特性，更拥有功率晶体管的高电压、大电流容量。其频率特性适中，可在几十kHz的范围内稳定工作，因而成为大、中功率应用中的佼佼者。

△ 栅极驱动与保护
作为电压控制型器件，IGBT在栅极-发射极间施加直流电压时，仅需微安级的漏电流，功耗极低。然而，其栅极-发射极间的寄生电容较大，要求驱动电路在脉冲电压的上升和下降沿提供数安培的充放电电流，以满足其开通和关断的动态需求。详细的栅极电容及电阻对IGBT动态开通和关断过程的影响被探讨。此外，IGBT作为一种大功率复合器件，存在过流时可能发生锁定而损坏的风险。为避免因过高的电流变化率引发的过电压问题，需要采用软关断技术。因此，深入理解IGBT的驱动和保护特性显得尤为重要。

△ 实际驱动波形的影响
由于IGBT的栅极-发射极和栅极-集电极间存在分布电容Cge和Cgc，同时发射极驱动电路中又有分布电感Le，实际工作中的栅极驱动波形揭示了Le和Cge等分布参数对IGBT性能的影响，这些分布参数的存在导致IGBT的实际驱动波形与理想情况有所偏差，进而影响了IGBT的开通和关断特性。这一现象可以通过带续流二极管的电感负载电路来观察和验证。


图1展示了IGBT开关的等效电路及其开通波形。从波形中可以明显观察到，由于分布电感Le和电容Cgc的影响，IGBT在实际工作中的uge上升速度显著降低。这种阻碍驱动电压上升的现象，直接导致了集电极电流上升及开通过程的延缓。为了改善这一情况，优化IGBT模块的Le、Cge以及栅极驱动电路的内阻是关键，从而确保更快的开通速度。

△ 栅极串联电阻的作用
栅极串联电阻对IGBT开通与关断的不同影响，优化选择策略。在高频应用场合下，为了提升IGBT的开关速度并降低损耗，我们需要确保驱动电压的上升和下降速率足够快。栅极电阻优化需平衡开通与关断过程中的电流波动和速度要求。在IGBT的正常工作状态下，开通速度越快，其损耗越小。然而，在开通过程中，如果存在续流二极管的反向恢复电流和吸收电容的放电电流，那么开通速度过快会导致IGBT承受的峰值电流过大，从而可能造成IGBT的损害。为了解决这一问题，我们可以降低栅极驱动电压的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，来抑制电流峰值。但这样做的代价是增加了开通损耗。利用这种技术，我们可以将开通过程中的电流峰值控制在所需的任意水平。

02
IGBT过流保护策略
△ 过流保护电路分析
过流保护分为低倍数过载与高倍数短路，需要不同的响应机制。IGBT的过流保护电路主要分为两类：一类是低倍数（如1.2~1.5倍）的过载保护，另一类是高倍数（可达8~10倍）的短路保护。对于过载保护，由于响应速度要求不高，通常采用集中式保护策略，即在输入端或直流环节检测总电流，当电流超过设定值时，比较器会翻转并封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。值得注意的是，这种过载电流保护需要复位才能恢复工作。

△ 降栅压技术的工作原理
慢降栅压策略能够有效控制故障电流，实现更安全的关断过程。降栅压技术旨在器件过流时立即降低其栅压，但保持器件导通状态。此技术中包含一个固定延时环节，旨在限制故障电流在延时期间内保持较低水平，从而减少故障时的功耗，延长器件的抗短路时间。同时，它还能降低器件关断时的di/dt，对器件保护非常有利。


图2展示了实现慢降栅压的具体电路。在正常工作时，故障检测二极管VD1的导通将a点的电压钳位在稳压二极管VZ1的击穿电压以下，使得晶体管VT1保持截止状态。此时，V1通过驱动电阻Rg进行正常的开通和关断操作。电容C2为硬开关应用提供了微小的延时，确保V1在开通时，uce能够从高电压逐渐降至通态压降，从而避免保护电路的误动作。

△ 缓冲吸收电路的设计
各种吸收电路通过设计细节优化IGBT的过电压承受能力与能耗。IGBT在开关过程中可能会面临过电压的问题。在关断IGBT时，其集电极电流的下降率很高，尤其是在短路故障情况下，如果不采取软关断措施，其临界电流下降率可能达到数kA/μs。因此，需要在IGBT主电路中加入关断缓冲吸收电路。

缓冲吸收电路可分为充放电型和放电阻止型两种。

在充放电型IGBT缓冲吸收电路中，有RC吸收和RCD吸收两种类型。例如，RCD电路通过二极管旁路电阻上的充电电流，有效地消除了过冲电压。


在放电阻止型吸收电路中，吸收电容Cs的放电电压等于电源电压。每当IGBT关断时，Cs仅将上次关断时产生的过冲能量回馈至电源，从而降低了吸收电路的功耗。


对于缓冲吸收电路的设计，有几点关键要求需考虑：

应尽可能减小主电路的布线电感La，以优化电路性能。

选用低感吸收电容，并确保其引线尽可能短，最佳情况是直接连接至IGBT的端子。

吸收二极管应选择开通速度快、恢复特性好的类型，以避免开通过电压和反向恢复引起的振荡过电压问题。

此外，采用慢降栅压技术可以控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的dv/dt和uce峰值，实现短路保护。


在大电流工作情况下，为减小关断过电压，应进一步减小主电路的布线电感，并选用低感型吸收电容器。

综上所述，IGBT的驱动与保护技术涉及广泛的知识面，其中栅极驱动、电容电感参数对动态过程的影响和过流保护策略尤为重要。

IGBT结合了功率晶体管与MOSFET的优点，具备良好的频率特性，适用于中大功率应用。

IGBT驱动与过流保护很实用

通常需要15V左右的正电压来确保IGBT完全导通，降低导通损耗。

一旦检测到过流，驱动电路应立即关断IGBT，防止其过热损坏。

凌鸥芯片内置比较器，可以将过流信号和dac的输出比较，产生fail事件，自动关闭mcpwm输出

优先选择集成 DESAT 检测的驱动芯片

采用变压器或光耦实现电气隔离，避免高压侧干扰低压控制电路

通过源极/发射极的小电阻采样电流，放大后比较阈值

通过MOSFET/BJT、栅极电阻、二极管等搭建，成本低但体积大

检测到过流后，需通过驱动电路实现 “安全关断”，核心是控制关断速度，平衡 “快速切断电流” 与 “抑制电压尖峰” 的矛盾。

过流保护是 IGBT 驱动电路的核心功能

合理选择门极电阻、确保驱动电压/电流裕量、强化抗干扰能力。

通过检测IGBT的输出电流，当电流超过设定值时，通过切断IGBT的输入电源，实现过电流保护。

缩短门极回路走线长度，减少寄生电感；使用多层PCB并大面积铺地

通过电流传感器或电阻检测IGBT的输出电流，当电流超过设定值时，立即采取保护措施。

用IR2110半桥驱动器驱动PMSM的IGBT模块，集成死区时间控制和负压关断功能。

在IGBT的散热器上安装一个热敏电阻，当温度超过设定值时，热敏电阻的阻值发生变化，从而改变IGBT的驱动电压或电流。

核心是通过软关断控制di/dt，抑制电压尖峰

既要避免 IGBT 损坏，又要防止关断过程中产生的电压尖峰二次损坏器件。