全面认识IGBT及其驱动与保护电路的特点（上）

IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor）是绝缘栅双极型晶体管的简称，是一种集功率型场效应管和电力晶体管的优点于一身的新型复合器件，同时具有MOSFET管的高速开关及电压驱动特性，以及双极晶体管的低饱和电压特性，既有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有耐压高、输出电流大的优点，现已广泛地用于电磁炉、功放机、空调、平板彩电等家电中，以及电机驱动、逆变、变频等电力系统中。

一、IGBT的基本结构
IGBT本质是一只场效应晶体管，在结构上类似于MOSFET管，其不同点在于IGBT是在N沟道功率型MOSFET管的N＋基极（漏极）上增加了一个P＋基极（IGBT的集电极），形成PN结，如图1所示。从内部结构看，可以将IGBT等效为一只以N沟道MOSFET型管为输入极，以两只三极管组成的达林顿管为输出极的复合器件，如图2所示。按照引出线位置及电流方向，IGBT的三极命名分别为G（栅极或门极）、c（集电极）、e（发射极）。



IGBT是一种以达林顿管为主导件、MOSFET管为驱动件的一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流跟驱动功率都非常小，其导通和关断是由G、e极之间的电压（常称栅极电压）来控制的。当给栅极加上一定的正电压时，MOSFET管内形成沟道，为PNP三极管提供基极电流通路，则PNP三极管导通，即IGBT导通。当给栅极上加负电压时，MOSFET管内的沟道消失，PNP三极管的基极电流通路被切断，则IGBT关断。

二、IGBT的工作特性
IGBT和普通三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区。在实际应用中，IGBT主要是作为开关器件。因此，需特别关注其饱和导通和截止这两个状态，要求其导通上升沿和关断下降沿应尽可能陡峭，尤其是用在高频电路中时，因为这样才能有效地降低IGBT的开关损耗。
1．静态特性
IGBT的伏安特性是以栅射极电压UGe为参变量，集电极电流ic和集射极电压Uce之间的关系曲线，如图3所示，分为饱和区、放大区和击穿区三部分。

在正向导通的大部分区域内，ic与Uce呈线性关系，此时IGBT工作于放大区内。在伏安特性明显弯曲部分，ic与Uce呈非线性关系，此时IGBT工作于饱和区。在实际电路中，IGBT多工作在饱和或关断状态。若IGBT工作于放大状态，则IGBT的损耗将会大幅上升。
IGBT的转移特性是指集电极电流Ic与栅射电压UGe之间的关系曲线，如图4所示，它与MOSFET的转移特性相同，当栅极电压小于开启电压UGe （th）时，IGBT处于关断状态；当UGe >UGe （th）时，IGBT导通，在IGBT导通后的较大ic电流范围内，ic与UGe呈线性关系。

2．动态特性
由于IGBT的G、e极和G、c极间存在着分布电容Cge和Cgc，且e极外围电路中存在分布电感Le，如图5所示，所以IGBT的导通与关断均需要一定时间，即存在导通时间ton与关断时间toff。

当给IGBT的G极加上高电平时，电压给Rg及Cge充电，IGBT的G极电压有一个上升过程。当G极电压达到UGe（th）时，才会产生集电极电流ic。随着ic的上升，Le上的感应电压也随之增大，UGe也会有所上升，这样就减缓了ic的增长。同样，当栅极驱动电压开始下降时，IGBT立即进入线性工作区，Uce开始上升，此时由于Cgc的充电作用，使得IGBT的UGe及ic并不能立即降为0，而是过一段时间后才降为0，关断结束。
IGBT的波形如图6所示。导通时，驱动电压UGe的前沿从幅值的10％升至其90％所用时间称为导通延时时间td，集电极电流lc从。上升到其幅值（1cm）的90％所用时间为tr，则导通时间ton =td +tr。同样，在截止时，UGe与ic均有一个下降过程，其对应的时间为ts和tf，则toff=ts+tf。

另外，在IGBT管饱和导通过程中，IGBT的集射极间的电压Uce的下降时间由tfu 1和tfu2两部分组成，前者为MOSFET管单独工作的电压下降时间，后者为MOSFET管与三极管同时工作的电压下降时间，由于三极管由放大状态转入饱和状态需要一定时间，因此，tfu2段电压下降过程变缓。只有在tfu2段结束后，IGBT才完全进入饱和状态。
提示：为了获得较好的开关特性，除应选用Cge、Cgc和Le较小的IGBT外，还要求其栅极驱动电路的内阻尽量小。
3．栅极特性
IGBT是一种高阻抗电压控制型器件，其栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。正常工作时，栅极与发射极间只有微安级的漏电流。由于氧化膜很薄，其击穿电压一般为20V～30V。因此，栅极击穿是IGBT损坏的常见原因之一。
在实际应用中，虽然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G、c极间的寄生电容会产生振荡电压，易损坏氧化层。为减小这种现象的发生，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减小寄生振荡，同时在栅极连串联电阻RG，在G、e极间连接RC阻尼滤波器，以抑制振荡，如图7所示。

值得一提的是，栅极串联电阻RG对IGBT的驱动有较大影响：若RG较小，G、e极之间的充放电时间常数较小，会使导通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；若RG较大，虽有利于抑制寄生振荡，但会使脉冲波形的前后沿变缓，增加IGBT的开关时间和开关损耗。

三、IGBT驱动电路
从上面的分析可知：IGBT是MOSFET管与双极晶体管的复合器件，既有MOSFET易驱动的优点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点，其频率特性介于MOSFET管与功率晶体管之间，可正常工作于数十千赫兹的频率范围内。为了让IGBT安全、可靠地工作，其栅极应连接与之匹配的驱动电路。
1.驱动电路的要求简介
（1）合适的栅极驱动电压
栅极正向驱动电压的大小将对电路胜能影响重大，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，IGBT的导通电阻下降，则导通损耗减小。如果正向驱动电压过大，易造成IGBT损坏；若正向驱动电压过小，易使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区，IGBT易过热损坏。通常，UGe取值为12V～18V，典型值为15V。
另外，为了防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，在IGBT关断时，可给栅极加上一定的负偏压，以提高IGBT的抗干扰能力，该负压通常取－10V～－5V。
（2）足够的驱动电流
由于IGBT的三极间存在着较大的寄生电容（数千皮法），在驱动脉冲电压的上升及下降沿期间，存在较大的充放电电流。为了满足其导通和关断的动态要求，则要求其栅极驱动电路要具有一定的峰值电流输出能力，使IGBT在正常工作及过载情况下不致于退出饱和导通区而损坏。
（3）合适的开关频率
虽然IGBT的快速导通与关断有利于提高工作频率，减小开关损耗，但在大电感负载下（如电磁炉、大功率电机等），IGBT的开关频率不宜过大，因为大电感会在快速导通和关断期间产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件损坏。

2．常见的IGBT驱动电路
（1）推挽式
该类驱动电路的输出级采用互补推挽输出方式，如图8所示。该方式能有效地降低驱动电路的输出阻抗，提高其驱动能力，从而达到加速IGBT的导通与关断的目的。

（Z）脉冲变压器式
该方式是利用变压器的工作原理，由次级感应电压直接驱动IGBT，如图9所示。由于变压器具有阻抗变换与隔离作用，所以这种驱动方式不仅简化了驱动电路，还解决了驱动电路的供电与 IGBT不共地的连接问题。

四、IGBT保护电路
由于IGBT多工作在高电压、大电流状态，一旦损坏（通常表现为三极间击穿），极易导致前级驱动电路件多元件连带损坏，因此对IGBT的保护显得尤为重要。
目前，普遍使用的IGBT模块，就是将IGBT、驱动电路与保护电路合为一体。
1.栅极保护
如果加在IGBT的G、e极间电压超出其额定值，或者驱动电路出现高压尖峰，这时易损坏IGBT，因此在IGBT的栅极应当设置栅压限幅电路，通常采用在G、e极间接上一只稳压二极管D1（稳压值通常为18V～20V），或接上两只反向串联的稳压二极管D1、D2，如图10所示，D1、D2的稳压值应分别略高于驱动电路输出的正、负栅压。

另外，若IGBT的G极悬空，在其c极与e极之间加＿L电压，由于G极与c、e极之间寄生电容的存在，使得G极电位升高，c、e极间有电流流过，可能会使IGBT发热甚至损坏。再者，在IGBT关断期间，G极电压易受电路寄生元件的干扰，使IGBT误导通。为防止此类情况发生，应在IGBT的G、e极间接一只数十千欧姆的电阻R，且R应尽量靠近G极一与e极安装。
2．过流保护
IGBT因其饱和压降低和工作频率高等优点而成为大功率开关管的首选，但IGBT和晶闸管一样，其抗过载能力不强，因此需给IGBT安装过流保护电路。
过流保护方式有软关断和降栅压两种。软关断是指在过流和短路时，直接关断IGBT。由于这一方式的抗干扰能力差（因为电路一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作），故在实际中很少采用。
在降栅压方式中，通常会设有固定延时电路，是指在检测到IGBT过流时，立即降低栅压，IGBT仍维持导通，但导通电流会被限制在一个较小范围内，避免IGBT过流损坏。一旦降栅压保护启动，若延时后过流故障依然存在，则关断IGBT ；若故障消失，则IGBT栅压自动恢复为正常值，这样可大大增强IGBT的抗干扰能力。
图11是采用降栅压方式的过流保护电路。正常工作时，因故障检测二极管VD 1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，三极管VT1截止。当电路发生过流和短路故障时，IGBT的C、e极间电压（Uce）上升，a点电压随之上升，升到一定值时，VZ1击穿，VT1导通，b点电压下降，电容C1通过电阻R1充电，当电容两端电压升到约1.4V时，三极管VT2导通，IGBT的G极电压随电容两端电压的上升而下降。通过调节C1的容量，可控制电容的充电速度，进而控制UGe的下降速度。当电容两端电压上升到稳压二极管VZ2的击穿电压时，VZ2击穿，UGe被钳位在一固定值上，降栅压过程结束。同时，光耦导通，输出过流信号。

如果在延时过程中，故障现象消失了，则a点电压降低，VT1恢复截止，C1通过R2放电，d点电压升高，VT2也恢复截止，UGe上升，电路恢复正常工作状态。
值得一提的是，在IGBT导通时，由于电容C2有一定的延时时间，IGBT管的Uce从高电压降为导通压降，过流保护电路不动作。
在实际应用中，由于过流保护电路与IGBT直接连接，且多为热地供电系统（这部分电路常称为主电路），而驱动信号形成电路多处于冷地供电系统，这两部分电路常采用高速光耦进行隔离，如图12所示。

正常工作时Q3、Q4均处于截止状态。当驱动信号为高电平时，光耦截止，A点电位为高电平，Q5导通，B点电位为高电平，Q2导通，Q1截止，IGBT的G、e极电压被Q2、R1、D1、D2、D3钳位在＋15V、IGBT能够快速导通。在此期间，由R8、、C2组成的延时电路使Q4保持截止状态。虽然C2的两端电压按充电规律上升，但由于IGBT已饱和导通，且导通压降很低，在D9的钳位作用下，C点电位为低电平，所以在IGBT正常导通时，Q3、Q4均处于截止状态。当驱动信号为低电平时，光耦导通，A点电位为低电平，Q5截止；B点电位为低电平，Q2截止，Q1导通，IGBT的G、e极电压经Q1、R1、D1钳位在－5V，可使IGBT快速关断，此时D9反向关断，阻止主电路高压窜入控制回路。在IGBT关断期间，C2两端电压通过R6放电，使C点电平更低，所以在IGBT关断期间，Q3、Q4总处于截止状态。
当发生过流时，IGBT的G、e极间电压升高，此时D9反向关断，于是C点电压随C1充电电压的上升而增加，当过流现象持续约15Rs时，C点电压使稳压管D6导通，Q3随之导通，经Q3、D4、D1将IGBT的G、e极间电压降至10V左右。若C点电压在10μs之内又恢复到低电平，则Q3截止，电路恢复为正常工作状态。若过电流现象持续10μs以上，则C点电压继续上升，从而使稳压管D5导通，Q4立即导通，D点电位为低电平，Q1导通，由于C1的放电作用，则IGBT慢速关断。同时，E点电位经由两个与非门组成的RS锁存器锁定在高电平，高速光耦一直处于导通状态。此时，IGBT的G、e极间电压将被锁定为一5V，IGBT处于可靠地关断状态。在过流保护启动后，只有将故障排除，再通过闭合复位开关，才能重新解除过流保护状态。

知识链接：达林顿管的特点
达林顿管又称复合三极管，是将两只三极管按一定方式连接在一起，组成一只等效的新三极管，它的放大倍数（β）等于两只三极管放大倍数的乘积。
组成达林顿管的两只三极管可以是同型号的，也可以是不同型号的，一般有四种接法：即NPN+NPN、PNP+PNP、NPN+PNP、PNP+NPN，如图所示，前两种为同极性接法，后两种为异极性接法。

达林顿管的极性由前面三极管决定，即图（a）、图（d）接法为NPN型达林顿管，图（b）、图（c）接法为PNP型达林顿管。前面三极管的基极为达林顿管的基极，后面三极管的发射极为达林顿管的发射极。
达林顿管具有放大倍数大（可达数千倍）、驱动能力强、易做成功率模块等优点，现已广泛用于大功率放大器、开关电源、电机调速、逆变等电路中。