IGBT模块及IGBT驱动应用问题及解答

绝缘栅双极晶体管(IGBT)广泛应用于变频器、UPS、电焊机、开关电源、感应加热、电动汽车、伺服控制器、斩波电源、无轨电车等。文章来源：http://www.igbt8.com/jc/171.html

电压：600V/1200V，电流：6~50A，功率：0.4KW~5.5KW

有3种结构紧凑的封装：Easy750(35.6*25.4*15.5mm)，Easy1(45.6*33*20.5mm)，Easy2(55.9*45.6*20.5mm)。

系列电路配置灵活，可分为EasyPIM和EasyPACK。EasyPIM：单/三相整流+6单元逆变（NTC和制动单元可选），EasyPACK：6单元逆变(NTC可选)。

IGBT³ (Trench field-stop后缀E3，T3)与IGBT²(NPT，后缀S4，L4)相比，更好地协调IGBT的稳定性、开关损耗和导通损耗之间的关系，既具有平板栅的稳定性同时也具有沟槽栅的低饱和压降(Vcesat)的特点；稳定性加强了，模块工作起来就更可靠，故障率大大下降，而饱和压降的降低更使模块的通态损耗得以减少，拖尾电流减小使得关断损耗更小，效率提高，发热量更少，从而延长模块的寿命。

1）长期过流：模块长时间过流运行是指IGBT的运行指标达到或超出RBSOA(反偏安全工作区)所限定的电流安全边界。出现这种情况时电路必须能在电流到达RBSOA限定边界前立即关断器件，才能达到保护器件的目的。

2）短路超时(>10us)：短路超时(>10us)是指IGBT的所承受的电流值达到或超出SCSOA(短路安全工作区）所限定的最大边界，比如4~5倍额定电流时，必须在10us之内关断IGBT，如果此时IGBT所承受的最大电压也超过器件标称值的话，则IGBT必须在更短的时间内被关断。

3）过高di/dt和dv/dt：过高di/dt引起的器件故障，其实也属于过压范围很高的 di/dt值与线路分布电感的乘积，导致瞬间过压。这种情况可以根据不同的功率模块，选用不同的缓冲吸收电路通过调整栅极电阻Rg来限制di/dt和dv/dt。
4）Vce，Vge过压：IGBT最高栅极电压±20V，采用TVS进行电压钳位，可防止动态的Vce，Vge过压。对于发电状态下的Vce过压，可采用监测直流母线电压的方法，进行能耗制动或能量回馈制动
5）过热：造成过热的可能有过流，短路，散热不好，栅极电压过低。可采用NTC做温度检测，进行过热保护

注意：Rg对于IGBT驱动脉冲的波形，开关速度，开关损耗有较大的影响。Rg值小充放电较快，能减小开关时间和开关损牦，增强工作的耐固性，避免带来因dv/dt的误导通。不足的是承受噪声能力小，易产生寄生振荡，使开通时di/dt变大，增加续流二极管(FWD)恢复时的浪涌电压。Rg过大时驱动波形的前后沿会发生延迟和变缓。IGBT的栅极电阻随IGBT电流容量增加而碱少，通常采用上表列出的值。如工作频率较低采用前一档电阻值较大的值。高频一般为大于15KHz 的工作频率，低频为小于5KHz的工作频率，若工作频率介于这两个频率之间可取折中值。

IGBT的开关消耗栅极电源功率，此功率受栅极驱动正负偏压的差值ΔVGE，栅极总电荷Qg和工作频率的影响。

1)分立元件组成的驱动电路：随着大规模集成电路的发展及帖片工艺的出现，这类电路设计复杂，集成化程度低的驱动电路已逐渐被淘汰。

2)光耦驱动电路：驱动光耦选择较多的主要由东芝的TLP系列，夏普的PC系列，安捷伦的HCPL系列等。

3)厚膜驱动电路：厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混合集成电路。它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线，将驱动电路4)的各元件集成在一块陶瓷基片上，使之成为一个整体部件。

5)专用集成块驱动电路：主要由IR 的 IR2111/213，富士的EXB系列驱动厚膜，三菱的 M57956，M57959等驱动厚膜。此外，还有对驱动电源及信号隔离的变压器驱动。

1)驱动器提供合适的驱动脉冲，具有足够的驱动能力，使开关损耗降至较低的水平。另一方面，驱动内阻也不能过小，以免驱动回路杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时，过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰，这既对主回路不利，也容易在控制电路中造成干扰。

2)能向IGBT提供适当的栅压：开通电压+15V，关断电压-5~-15V以提高IGBT的抗干扰能力和承受dv/dt 的能力。

3)最好有足够的输入输出电气隔离能力。

4)具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。在栅射极间并联反串联的稳压管或旁路电阻是防止栅极过压的有效措施。

5)输入输出信号传输无延迟，这力面能够减少系统响应滞后，另一方面能够提高保护的快速性。

6)驱动电路应尽可能简单实用，最好带有保护功能和具有较强的抗干扰能力。

设计缓冲电路考虑的主要因素主要有功率电路的布局结构，功率等级，工作频率和成本。缓冲电路设计的好坏，直接关系到逆变器等功率电路能否正常安全地工作。一个设计合理的缓冲电路不仅可以有效降低开关应力，抑制高频振荡，而且可以降低开关损耗，提高工作频率。

缓冲吸收电路的要点是：
1)尽量减少主电路的布线电感；
2)吸收电容应采用无感（低感）专用吸收专用电容，引线应尽量短，最好直接安装在IGBT的端子上。
3)吸收二极管应选用快开通与快软恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢复引起较高的振荡过电压。
4)对于RCD吸收电路的RC时间常数t应为整个开关周期的1/3左右。

应用时要注意：
1)被并联使用的器件必须匹配，每个模块U_CEsat之差在0.3V之内，选择同一批次的模块。
2)为了将电流不平衡的情况降至最小，必须尽量保持主电路及驱动电路的对称和较小的分布电感。
3)散热均衡
4)电流降额：%降额率 =1-{[(n-1)(1-x)/(1+x)]+1}/n*100%，其中x=0.1(600V器件)，x=0.15(1000V/1200V器件)。
5)为了防止接地回路电流的问题产生，栅极电阻Rg必须分开，其中小部分必须放置于每个栅极驱动电路的回送引线。

DN2/KF4：：4~15KHz；DLC/KL4/KE3：1~8KHz，KS4：>15KHz，KT3：8~15KHz