【導(dǎo)讀】根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC／TC1339文件建議，其各部分名。稱(chēng)基本沿用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。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。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形。在漏、源之間的P型區(qū)（包括P+和P一。injector），它是IGBT特有的功能區(qū)，穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。稱(chēng)為發(fā)射極端（子），漏極引出的電極端（子）稱(chēng)為集電極端（子）。IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2－53所示。GTR為主導(dǎo)件、MOSFET為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的。但是，NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使NPN不起作用。下的IGBT，正向電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。十伏水平，因此限制了IGB的某些應(yīng)用范圍。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關(guān)系。電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。構(gòu)，但流過(guò)MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。Ug＝0＜Uth，溝道消失，通過(guò)溝道的電子電流為零，使Ic有一個(gè)突降。

　　

【正文】 求 一個(gè)理想的 I GB T 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有以下基本性能 : (1) 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) ,能為 I GB T 柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖 。當(dāng) I GB T 在硬開(kāi)關(guān)方式下工作時(shí) ,會(huì)在開(kāi)通及關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗 。這個(gè)過(guò)程越長(zhǎng) ,開(kāi)關(guān)損耗越大 。 器件工作頻率較高時(shí) ,開(kāi)關(guān)損耗甚至?xí)蟠蟪^(guò) I GB T通態(tài)損耗 , 造成管芯溫升較高 。這種情況會(huì)大大限制 I GB T 的開(kāi)關(guān)頻率和輸出能力 ,同時(shí)對(duì) IGBT的安全工作構(gòu)成很大威脅 。 IGBT的開(kāi)關(guān)速度與其柵極控制信號(hào)的變化速度密切相關(guān)。 IGBT的柵源特性呈非線性電容 性質(zhì) ,因此 ,驅(qū)動(dòng)器須具有足夠的瞬時(shí)電流吞吐能力 ,才能使 IGBT柵源電壓建立或消失得足夠快 ,從而使開(kāi)關(guān)損耗降至較低的水平 。 另一方面 ,驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻也不能過(guò)小 ,以免驅(qū)動(dòng)回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振蕩 。 同時(shí) ,過(guò)短的開(kāi)關(guān)時(shí)間也會(huì)造成主回路過(guò)高的電流尖峰 ,這既對(duì)主回路安全不利 ,也容易在控制電路中造成干擾 。 ( 2 ) 能 向 I GB T提供 適 當(dāng) 的 正 向 柵 壓 。 I GB T 導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān) ,在漏源電流一定的情況下 , u GS越高 , uDS就越低 ,器件的導(dǎo)通損耗就越小 ,這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力 。但是 , uGS并非越高越好 ,一般不允許超過(guò) 20V ,原因是一旦發(fā)生過(guò)流或短路 ,柵壓越高 ,則電流幅值越高 , I GB T 損壞的可能性就越大 。通常 ,綜合考慮取 + 15V 為宜 。 (3) 能向 IGB T 提供足夠的反向柵壓 。在 I GB T 關(guān)斷期間 ,由于電路中其它部分的工作 ,會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào) 。這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的 I GB T 處于微通狀態(tài) ,增加管子的功耗 ,重則將使逆變電路處于短路直通狀態(tài) 。因此 ,最好給 應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)的 I GB T 加一反向柵壓 (幅值一般為 5～ 15V) ,使 I GB T 在柵極出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止 。 (4) 有足夠的輸入輸出電隔離能力 。 在許多設(shè)備中 。 IGB T 與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系 ， 而控制電路一般不希望如此 。另外許多電路 ( 如橋式逆變器 ) 中的 I GB T 的工作電位差別很大 ， 也不允許控制電路與其直接耦合 。 因此 ， 驅(qū)動(dòng)器具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作 ， 同時(shí)有利于維修調(diào)試人員的人身安全 。 但是 ,這種電隔離不應(yīng)影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正常傳輸 。 (5) 具有柵壓限幅電路 ， 保護(hù)柵極 不被擊穿 ， IGBT柵極極限電壓一般為 177。20V ,驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極 。 (6) 輸入輸出信號(hào)傳輸無(wú)延時(shí) 。 這一方面能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后 ,另一方面能提高保護(hù) 的快速性 。 (7) 電路簡(jiǎn)單 ,成本低 。 (8) I GB T 損壞時(shí) ,驅(qū)動(dòng)電路中的其它元件不會(huì)隨之損壞。 IGBT燒毀時(shí) ,集電極上的高電壓往往會(huì)通過(guò)已被破壞的柵極竄入驅(qū)動(dòng)電路 ,從而破壞其中的某些元件 。由于 I GB T 承受過(guò)流或短路的能力有限 ,故 IGBT 驅(qū)動(dòng)器還應(yīng)具有如下功能 : (9) 當(dāng) I GB T 處于負(fù)載短路或過(guò)流狀 態(tài)時(shí) ,能在 I GB T 允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流 ,實(shí)現(xiàn) I GBT的軟關(guān)斷 。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造成過(guò)高的 di/dt 。在雜散電感的作用下 ,過(guò)高的 d i/ d t會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電壓尖峰 ,使 I GB T 承受不住而損壞 。同理 ,驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響 ,即應(yīng)具有定時(shí)邏輯柵壓控制的功能 。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí) ,無(wú)論此時(shí)有無(wú)輸入信號(hào) ,都應(yīng)無(wú)條件地實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷 。 23 在各種設(shè)備中 ,二極管的反向恢復(fù)、電磁性負(fù)載的分布電容及關(guān)斷吸收電路等都會(huì)在 IGBT開(kāi)通時(shí)造 成尖峰電流 。 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具備抑制這一瞬時(shí)過(guò)流的能力 ,在尖峰電流過(guò)后 ,應(yīng)能恢復(fù)正常柵壓 ,保證電路的正常工作 。 (10) 在出現(xiàn)短路 、過(guò)流的情況下 ,能迅速發(fā)出過(guò)流保護(hù)信號(hào) ,供控制電路進(jìn)行處理 。 IGBT驅(qū)動(dòng)器的電路形式及特點(diǎn) 目前 ,供 I GB T使用的驅(qū)動(dòng)電路形式多種多樣 ,各自的功能也不盡相同 。從綜合的觀點(diǎn)看 ,還沒(méi)有一種十全十美的電路 。 從電路隔離方式看 , IGB T 驅(qū)動(dòng)器可分成兩大類(lèi) ,一類(lèi)采用光電耦合器 ,另一類(lèi)采用脈沖變壓器 ,兩者均可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸及電路的隔離。 下面以 日本富士公司的 EXB841驅(qū)動(dòng)器為例 ,簡(jiǎn)單說(shuō)明光電耦合驅(qū)動(dòng)器的工作原理 (見(jiàn)圖 1 )。圖中 + 2 0 V驅(qū)動(dòng)電源通過(guò) R1和 V5分為 + 15V及 + 5V兩部分。當(dāng)來(lái)自控制電路的控制脈沖進(jìn)入光電耦合器 V1后 ,放大器使 V3導(dǎo)通 ,I GBT柵極即得到一個(gè) + 15V驅(qū)動(dòng)信號(hào)并導(dǎo)通 。當(dāng)控制信號(hào)消失后 , V4導(dǎo)通 ,此時(shí) I GB T 即得到一個(gè) 5V 的柵源電壓并截止。 I GB T 在導(dǎo)通期間過(guò)流時(shí) ,會(huì)脫離飽和狀態(tài) ,此時(shí) , uDS升高。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的保護(hù)電路通過(guò) V6檢測(cè)到這一狀態(tài)后 ,一方面在 10μs 內(nèi)逐步降 低柵壓 , 使 I GBT進(jìn)入軟關(guān)斷狀態(tài) ,另一方面通過(guò)光耦 V2向控制電路發(fā)出過(guò)流信號(hào) 。 光電耦合驅(qū)動(dòng)器的最大特點(diǎn)是雙側(cè)都是有源的 ,由它提供的正向脈沖及負(fù)向封鎖脈沖的寬度可以不受限制 ,而且可以較容易地通過(guò)檢測(cè) I GB T 通態(tài)集電極電壓實(shí)現(xiàn)各種情況下的過(guò)流及短路保護(hù) ,并對(duì)外送出過(guò)流信號(hào) 。目前國(guó)內(nèi)外都趨向于把這種驅(qū)動(dòng)器做成厚膜電路的形式 ,因此具有使用較方便 ,一致性及穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn) 。 其不足之處是需要較多的工作電源 。 例如 ,全橋式開(kāi)關(guān)電源一般需要四個(gè)工作電源 ,從而增加了電路的復(fù)雜性 。驅(qū) 動(dòng)器中的光電耦合器盡管速度較高 ,但對(duì)脈沖信號(hào)仍會(huì)有 1μs左右的滯后時(shí)間 ,不適應(yīng)某些要求較高的場(chǎng)合 。光電耦合器的輸入輸出間耐壓一般為交流 2500V ,這對(duì)某些場(chǎng)合是不夠的。例如 ,許多逆變焊機(jī)的輸出直接反饋到控制電路 ,而國(guó)家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)卻規(guī)定焊機(jī)輸入輸 出之間應(yīng)能承受交流 4000V 電壓 , 從而給電路的設(shè)計(jì)增加了困難。另外 ,一旦 I GB T 燒壞 ,驅(qū)動(dòng)器通常也隨之燒毀 ,從而增加了維修的復(fù)雜性及費(fèi)用 。 與之相反 ,變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是不必專(zhuān)設(shè)工作電源且速度高 ,輸入輸出間耐壓可 24 做得較高 ,成本較低 。圖 2示出兩種變壓器驅(qū)動(dòng)器的電路 ,顯然電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 。其中圖2b 電路適用于半橋式或全橋式逆變器 ,其電路結(jié)構(gòu)決定了同一橋臂的兩只 I GB T 不會(huì)同時(shí)得到正向柵壓 ,從而保證了逆變器不會(huì)發(fā)生直通現(xiàn)象。變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器信號(hào)延遲很小 ,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看 ,只有幾個(gè)納秒 ,響應(yīng)速度很快 。 圖 2 兩種變壓器驅(qū)動(dòng)器電路 圖 3 變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器 圖 2電路的缺點(diǎn)是 I GB T關(guān)斷期間不能得到持續(xù)的反向柵壓 ,故抗干擾能力較差 。 圖 3所示的驅(qū)動(dòng)電路較好地解決 了這個(gè)問(wèn)題 。圖中 V1及 C1為 I GB T 提供反向柵壓 ,其數(shù)值由 V1穩(wěn)壓值而定。 變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)是不能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù) ,不能實(shí)現(xiàn)任意脈寬輸出。這種驅(qū)動(dòng)器對(duì)變壓器的繞制要求嚴(yán)格 ,必須盡可能改善初、次級(jí)的耦合 ,否則效果不好。 為了進(jìn)一步完善變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器的功能 ,以適應(yīng)更多的應(yīng)用對(duì)象 ,可利用信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理 ,脈沖變壓器工作在高頻狀態(tài) (幾百千赫 ) ,變壓器初級(jí)的脈沖幅度隨控制信號(hào)的有無(wú)而變化 ,而變壓器次級(jí)則有整流器和鑒幅器 。這樣 ,次級(jí)電路可以根據(jù)高頻脈沖的幅值對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行復(fù)原。變壓器除 實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸外 ,還實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電源的輸送 ,從而為實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能提供了基礎(chǔ) 。美國(guó) U nit rode 公司推出的 U C3724/ 3725 即是一種典型的電路 。 表 1列舉了目前市場(chǎng)上可見(jiàn)的若干種驅(qū)動(dòng)器 , 其功能大致相同 ,但也有許多不同之處 [ 1～ 4 ] 。另外 ,目前市場(chǎng)上還有一種專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器 ,可驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂上兩只 I GB T ,如美國(guó) IR 公司的 IR2110 及德國(guó)西門(mén)康公司的 S KHI21 。 用 IGBT 驅(qū)動(dòng)器需注意的問(wèn)題 在圖 1所示電路中 ,二極管 V6的選取是很重要的。它必須是快速二 極管 ,其反向耐壓至少應(yīng)與 IGBT相同 , 而且其正向壓降對(duì) IGBT保護(hù)點(diǎn)的設(shè)定關(guān)系甚大。例如 ,富士 EXB系列驅(qū)動(dòng)器要求 V6的正向壓降為 3V,如果我們選用了其它壓降低的二極管 ,則 IGBT就不能得到有效的保護(hù)。相反 ,如果我們想降低 IGBT的保護(hù)點(diǎn) , 則可以采用多只串聯(lián)的辦法 ,增加 V6的正向壓降。另外 ,各廠家生產(chǎn)的 IGBT的傳輸比各不相同 ,因此 ,用一個(gè)廠家生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)另一個(gè)廠家的 IGBT ,應(yīng)考慮對(duì)二極管 V6的正向壓降作相應(yīng)調(diào)整。 有些廠家生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)器 ( EXB系列 )不具備定時(shí)邏輯柵壓控制的功能。在 過(guò)流狀態(tài)下 ,若驅(qū)動(dòng)器的入口信號(hào)消失 ,則其出口信號(hào)也隨之消失 。這樣 ,過(guò)流狀態(tài)下的 IGBT易被損壞。因此 ,需要在外部電路中采取措施 ,以保證過(guò)流時(shí)驅(qū)動(dòng)器的入口驅(qū)動(dòng)脈沖 有 足 夠 的 寬 度 , 使 I GB T 在驅(qū)動(dòng)器的軟關(guān)斷作用下可靠完成關(guān)斷過(guò)程 。另一方面 ,對(duì)于具有邏輯柵壓控制的驅(qū)動(dòng)器 (如 HR065) 而言 ,在某些情況下也有人為造成橋臂直通的危險(xiǎn)。 IGBT開(kāi)通時(shí)往往會(huì)流過(guò)一些正常的尖峰電流 ,因此 ,驅(qū)動(dòng)器一般對(duì)短時(shí)間過(guò)流都不予以保護(hù)。例如 ,筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) ,在 IGBT過(guò)流開(kāi)通 4μs之后 , EXB841才會(huì)對(duì)過(guò)流進(jìn)行保護(hù)。 25 另外 ,發(fā)生過(guò)流后 ,驅(qū)動(dòng)器送出保護(hù)信號(hào)并通過(guò)光電耦器送到控制電路時(shí)也有幾個(gè)微秒的延遲 。因此 ,目前的驅(qū)動(dòng)器對(duì)窄脈沖過(guò)流還是無(wú)能為力的 ,仍需要通過(guò)其它手段實(shí)現(xiàn)保護(hù)。 結(jié) 論 在設(shè)計(jì)電路時(shí) ,應(yīng)清楚地了解各種驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn) ,根據(jù)實(shí)用需要進(jìn)行正確選擇 ,減少盲目性 。對(duì)于變頻器一類(lèi)輸出對(duì)輸入有直接電聯(lián)系的設(shè)備 ,由于逆變器對(duì)地直接短路的危險(xiǎn)性比較大 ,而且 IGBT關(guān)斷等待時(shí)間比較長(zhǎng) ,故采用光耦隔離式驅(qū)動(dòng)器比較合適 。而對(duì)于一般的開(kāi)關(guān)電源 (如逆變 焊機(jī)、通信電源等 ) ,由于其采用的 IGBT直接對(duì)地短路的可能性很小 ,因此只要能保證不發(fā)生逆變電路橋臂直通 ,并采用電流互感器進(jìn)行過(guò)流保護(hù) , I GB T 就不會(huì)受到過(guò)流威脅 。此類(lèi)設(shè)備一般工作頻率都比較高 ,因此從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上綜合考慮 ,采用變壓器驅(qū)動(dòng)器比較合適 。 單正向柵驅(qū)動(dòng) IGBT 簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路 目前，為了防止高 dV/dt 應(yīng)用于橋式電路中的 IGBT 時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)集電極電流，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)設(shè)計(jì)柵特性是需要負(fù)偏置柵驅(qū)動(dòng)的 IGBT。然而提供負(fù)偏置增加了電路的復(fù)雜性，也很難使用高壓集成電路（ HVIC） 柵驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)檫@些 IC 是專(zhuān)為接地操作而設(shè)計(jì) ──與控制電路相同。因此，研發(fā)有高 dV/dt 能力的 IGBT 以用于 ―單正向 ‖柵驅(qū)動(dòng)器便最為理想了。這樣的器件已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)了。器件與負(fù)偏置柵驅(qū)動(dòng) IGBT 進(jìn)行性能表現(xiàn)的比較測(cè)試，在高 dV/dt 條件下得出優(yōu)越的測(cè)試結(jié)果。 為了理解 dV/dt 感生開(kāi)通現(xiàn)象，我們必須考慮跟 IGBT 結(jié)構(gòu)有關(guān)的電容。圖 1 顯示了三個(gè)主要的 IGBT 寄生電容。集電極到發(fā)射極電容 CCE，集電極到柵極電容 CGC和柵極到發(fā)射極電容 CGE。 這些電容對(duì)橋式變換器設(shè)計(jì)是非常重 要的，大部份的 IGBT 數(shù)據(jù)表中都給出這些參數(shù)： 輸出電容， COES＝ CCE＋ CGC（ CGE短路） 輸入電容， CIES＝ CGC＋ CGE（ CCE短路） 26 反向傳輸電容， CRES＝ CGC 圖 2 給出了用于多數(shù)變換器設(shè)計(jì)中的典型半橋電路。集電極到柵極電容 CGC和柵極到發(fā)射極電容 CGE組成了動(dòng)態(tài)分壓器。當(dāng)高端 IGBT（ Q2）開(kāi)通時(shí)，低端 IGBT（ Q1）的發(fā)射極上的 dV/dt 會(huì)在其柵極上產(chǎn)生正電壓脈沖。對(duì)于任何 IGBT，脈沖的幅值與柵驅(qū)動(dòng)電路阻抗和 dV/dt 的實(shí)際數(shù)值有直接關(guān)系。 IGBT 本身的 設(shè)計(jì)對(duì)減小 CGD和 CGS的比例非常重要，它可因此減小 dV/dt 感生電壓幅值。 如果 dV/dt 感生電壓峰值超過(guò) IGBT 的閥值， Q1 產(chǎn)生集電極電流并產(chǎn)生很大的損耗，因?yàn)榇藭r(shí)集電極到發(fā)射極的電壓很高。 為了減小 dV/dt 感生電流和防止器件開(kāi)通，可采取以下措施 ： ① 關(guān)斷時(shí)采用柵極負(fù)偏置，可防止電壓峰值超過(guò) Vth，但問(wèn)題是驅(qū)動(dòng)電路會(huì)更復(fù)雜。 ② 減小 IGBT 的 CGC寄生電容和多晶硅電阻 Rg’。 ③ 減小本征 JFET 的影響 。 27 圖 3 給出了為反向偏置關(guān)斷而設(shè)計(jì)的典型 IGBT 電容曲線 。 CRES曲線（及其他曲線）表明一個(gè)特性，電容一直保持在較高水平，直到 VCE接近 15V，然后才下降到較低值。如果減小或消除這種 ―高原 ‖(plateau)