IGBT作為大功率復(fù)合器件，存在過流時可能被閉鎖損壞的問題。如果過流時門極電壓以正常速度閉鎖，過高的電流變化率會引起過電壓，需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因此需要掌握IGBT的驅(qū)動和保護特性。
IGBT是一個壓控裝置。在它的柵極和發(fā)射極之間施加10 V以上的DC電壓，只有μA的漏電流流過，基本不消耗功率。但是IGBT的柵極和發(fā)射極之間存在很大的寄生電容(幾千到幾萬pF)，需要在驅(qū)動脈沖電壓的上升沿和下降沿提供幾A的充放電電流來滿足開關(guān)的動態(tài)要求，這就使得其驅(qū)動電路也要輸出一定的峰值電流。
IGBT作為大功率復(fù)合器件，存在過流時可能被閉鎖損壞的問題。如果過流時門極電壓以正常速度閉鎖，過高的電流變化率會引起過電壓，需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因此需要掌握IGBT的驅(qū)動和保護特性。
網(wǎng)格特征
IGBT的柵極通過氧化膜與發(fā)射極電隔離。由于這種氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達(dá)到20 ~ 30 V，所以柵擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在應(yīng)用中，雖然有時保證柵極驅(qū)動電壓不超過柵極的額定電壓，但是柵極連接的寄生電感和柵極與集電極之間的容性耦合也會產(chǎn)生損壞氧化層的振蕩電壓。為此。絞合線通常用于傳輸驅(qū)動信號，以減少寄生電感。振蕩電壓也可以通過在柵極連接中串聯(lián)一個小電阻來抑制。
由于IGBT的柵極-發(fā)射極和柵極-集電極之間存在分布電容Cge和Cgc，發(fā)射極驅(qū)動電路中存在分布電感Le，IGBT的實際驅(qū)動波形由于這些分布參數(shù)的影響，與理想驅(qū)動波形并不完全相同，產(chǎn)生了不利于IGBT開關(guān)的因素。這可以通過帶續(xù)流二極管的感性負(fù)載電路來驗證(見圖1)。
圖Fig開關(guān)的等效電路和導(dǎo)通波形
在時間t0，柵極驅(qū)動電壓開始上升。此時影響柵壓uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge，柵壓快速上升。在時間t1，達(dá)到IGBT的柵極閾值，并且集電極電流開始上升。從這一點來看，導(dǎo)致uge波形偏離原來軌跡的原因有兩個。
首先，發(fā)射極電路中分布電感Le上的感應(yīng)電壓隨著集電極電流ic的增大而增大，從而削弱了柵極驅(qū)動電壓，降低了柵極和發(fā)射極之間uge的上升速率，減緩了集電極電流的增長。
其次，影響柵極驅(qū)動電路的電壓的另一個因素是柵極-集電極電容Cgc的米勒效應(yīng)。在t2時，集電極電流達(dá)到值，然后柵極和集電極之間的電容Cgc開始放電，使得驅(qū)動電路中Cgc的電容電流增大，使得驅(qū)動電路中阻抗上的壓降增大，柵極驅(qū)動電壓減弱。顯然，柵極驅(qū)動電路的阻抗越低，這種影響就越弱，并且這種影響會維持到uce下降到零的t3。它的影響也減緩了IGBT的轉(zhuǎn)變過程。t3后，ic達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，影響柵壓uge的因素消失后，uge以更快的上升速率達(dá)到該值。
從圖1的波形可以看出，由于Le和Cgc的存在，uge的上升速度在IGBT的實際運行中已經(jīng)慢了很多，這種阻礙驅(qū)動電壓上升的效果表現(xiàn)為對集電極電流上升和導(dǎo)通過程的阻礙。為了減緩這種影響，IGBT模塊和柵極驅(qū)動電路的Le和Cgc的內(nèi)阻應(yīng)盡可能小，以獲得更快的導(dǎo)通速度。
IGBT關(guān)閉時的波形如圖2所示。在時間t0時，柵極驅(qū)動電壓開始下降，在時間t1時，達(dá)到剛好可以維持集電極正常工作電流的水平。當(dāng)IGBT進入線性工作區(qū)時，uce開始上升。此時，柵極和集電極之間的電容器Cgc的米勒效應(yīng)主導(dǎo)了uce的上升。由于Cgc的耦合充電效應(yīng)，uge在T1到t2期間基本保持不變，uge和ic在t3時刻開始以柵極和發(fā)射極之間固有阻抗決定的速度下降。
圖2 IGBT關(guān)閉時的波形
從圖2可以看出，由于電容Cgc的存在，IGBT的關(guān)斷過程也延長了很多。為了減少這種影響，一方面要選擇Cgc更小的IGBT器件；另一方面，要降低驅(qū)動電路的內(nèi)部阻抗，增加流入Cgc的充電電流，加快uce的上升速度。
在實際應(yīng)用中，IGBT的uge幅值也會影響飽和開通電壓降:隨著uge的增大，飽和開通電壓會降低。因為飽和導(dǎo)通電壓是IGBT發(fā)熱的主要原因之一，所以必須盡可能地降低它。一般uge為15 ~ 18V。如果過高，容易導(dǎo)致電網(wǎng)擊穿。一般取15V。在IGBT的柵發(fā)射極關(guān)斷時加一定的負(fù)偏壓，有利于提高IGBT的抗干擾能力，通常為5 ~ 10 V
IGBT開關(guān)的等效電路和導(dǎo)通波形