变频电源驱动电路中IGBT的栅极特性

    IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般只有20~ 30V，因此IGBT的栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极一集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减小寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。    由于IGBT的栅极一发射极和栅极一集电极间存在着分布电容Cge和Cgc，以及发射极驱动电路中存在有分布电感Le，由于这些分布参数的影响，使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同，并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。    IGBT开关等效电路和开通波形如图3-5所示，在t0时刻，栅极驱动电压开始上升，此时影响栅极电压Uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge，栅极电压上升较快。在t1时刻达到IGBT的栅极门槛值，集电极电流开始上升。从此时开始有2个原因导致Uge波形偏离原有的轨迹。
    图3-5    IGBT开关等效电路和开通波形    (a)等效电路；(b)开通波形    (1)影响栅极驱动电路电压的因素是发射极电路中的分布电感Le上的感应电压随着集电极电流ie的增加而加大，从而削弱了栅极驱动电压，并且降低了栅极一发射极间的Uge的上升率，减缓了集电极电流的增长。    (2)另一个影响栅极驱动电路电压的因素是栅极一集电极电容Cgc的密勒效应。t2时刻，集电极电流达到最大值，进而栅极一集电极间电容Cgc开始放电，在驱动电路中增加了Cgc的容性电流，使得在驱动电路内阻抗上的压降增加，也削弱了栅极驱动电压。显然，栅极驱动电路的阻抗越低，这种效应越弱，此效应一直维持到t3时刻，Uce降到零为止。它的影响同样减缓了IGBT的开通过程。在t3时刻后，ic达到稳态值，影响栅极电压Uge的因素消失后，Uge以较快的上升率达到最大值。    由图3-5波形可看出，由于Le和Cgc的存在，在IGBT的实际运行中Uge的上升速率减缓了许多，这种阻碍驱动电压上升的效应，表现为对集电极电流上升及开通过程的阻碍。为了减缓此效应，应使IGBT模块的Le和Cgc及栅极驱动电路的内阻尽量小，以获得较快的开通速度。    IGBT关断时的波形如图3-6所示。t0时刻栅极驱动电压开始下降，在t1时刻达到刚能维持集电极正常工作电流的水平，IGBT进入线性工作区，Uce开始上升，此时，栅极一集电极间电容Cgc的密勒效应支配着Uce的上升，因Cgc耦合充电作用，Uge在t1~t2期间基本不变，在t2时刻Uge和ic开始以栅极一发射极间固有阻抗所决定的速度下降，在t3时，Uge及ic均降为零，关断结束。
    图3-6    IGBT关断时波形    由图3-6可看出，由于电容Cgc的存在，使得IGBT的关断过程也延长了许多。为了减小此影响，一方面应选择Cgc较小的IGBT器件；另一方面应减小驱动电路的内阻抗，使流入Cgc的充电电流增加，加快了Uce的上升速度。    在实际应用中，IGBT的Uge幅值也影响着饱和导通压降：Uge增加，饱和导通电压将减小。由于饱和导通电压是IGBT发热的主要原因之一，因此必须尽量减小。通常Uge为15~18V，若过高，容易造成栅极击穿，一般取15V。IGBT关断时给其栅极一发射极加一定的负偏压有利于提高IGBT的抗干扰能力，通常取5~10V。