變流器在工作時(shí)，可能因?yàn)椴豢煽咕芤蛩睾头钦�常工作條件而引起故障；在發(fā)生故障時(shí)，必須能及時(shí)有效的為HVIGBT提供保護(hù)，使其不受損壞，從而保證設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。因?yàn)榇蠖鄶?shù)HVIGBT的保護(hù)機(jī)理都通過檢測(cè)故障信號(hào)從而去調(diào)整HVIGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所以HVIGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)是密不可分的。

HVIGBT有一個(gè)MOS的柵極結(jié)構(gòu)，在HVIGBT開通和關(guān)斷的時(shí)候會(huì)對(duì)MOS的柵極進(jìn)行充電和放電，圖7-1顯示了HVIGBT開通的門極結(jié)構(gòu)及充電特性。

過程①：門極電流I_G為寄生電容C_GE和C_GC充電；

過程②：門極電流I_G為C_GE充電，為HVIGBT導(dǎo)通創(chuàng)建通道；

過程③：“米勒效應(yīng)”； 

過程④：門極電流I_G為電容C_GE和C_GC充電

根據(jù)門極充電的特性曲線，我們可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)HVIGBT所需要的平均功耗P_av如下：

其中：

Q_G：總的柵極電荷

f_c：HVIGBT的開關(guān)頻率

△V_GE：柵極電壓變化量

為HVIGBT的驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)供電電源時(shí)候，要考慮到P_av 的值，同時(shí)還要考慮到驅(qū)動(dòng)板上其他元件的功耗，并保留一定的余量。

驅(qū)動(dòng)HVIGBT所需要的最小峰值電流為:

其中

V_GE 為柵極電壓,△V_GE由下式求得：

R_g為HVIGBT外部的柵極驅(qū)動(dòng)電阻；

r_g為HVIGBT內(nèi)部的柵極電阻。

HVIGBT在開通時(shí)，為了保證其快速進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，我們要在其門極施加正向電壓；在關(guān)斷的時(shí)候，為了保證其能可靠關(guān)斷，避免門極信號(hào)受到干擾產(chǎn)生誤動(dòng)作，也需要在門極施加負(fù)壓。

通常情況下，建議HVIGBT開通時(shí)正向門極電壓V_GE取值為15V±10％。在任何情況下開通時(shí)的V_GE不應(yīng)超出12V～20V的范圍。

正向偏置電壓的選擇和以下參數(shù)相關(guān)：

短路電流：V_GE在16.5V以上時(shí)短路電流會(huì)增大，降低模塊的短路承受能力；

飽和壓降：V_GE在13.5V以下時(shí)，相同集電極電流下的飽和電壓V_CE(sat)會(huì)變大，從而易導(dǎo)致熱破壞，因此，如果V_GE電壓過低時(shí)應(yīng)該采取措施停止開關(guān)繼續(xù)工作。

開通時(shí)刻的電流上升率(di/dt)：di/dt會(huì)隨著V_GE的增加而加

通常情況下，在HVIGBT關(guān)斷時(shí)，為了防止在HVIGBT在集電極-發(fā)射極電壓上出現(xiàn)的dv/dt噪聲引起開關(guān)誤開通，必須在柵極上施加關(guān)斷反向偏壓。我們推薦HVIGBT的反向偏壓V_GE為-15V。反向偏置電壓會(huì)影響到HVIGBT的關(guān)斷損耗以及關(guān)斷時(shí)刻的dv/dt等參數(shù)。表7.1所示為柵極電壓對(duì)HVIGBT特性參數(shù)的影響：

表7.1 柵極電壓對(duì)HVIGBT特性參數(shù)的影響

R_g對(duì)HVIGBT的開關(guān)表現(xiàn)影響很大，首先會(huì)直接影響到HVIGBT的開通和關(guān)斷速度，而HVIGBT的開通和關(guān)斷速度和開關(guān)損耗是緊密相連的，因此HVIGBT的產(chǎn)品規(guī)格書中會(huì)給出下表，列舉了不同的R_g所對(duì)應(yīng)的開關(guān)損耗。但是更快的開關(guān)速度同時(shí)也導(dǎo)致開通和關(guān)斷時(shí)候的電流和電壓的變化率很大，會(huì)對(duì)HVIGBT以及反并聯(lián)二極管的安全工作區(qū)造成影響，因此R_g的選取原則是在確保安全工作的條件下降低開關(guān)損耗。

R_g(on)和HVIGBT的開通時(shí)間和開通損耗有關(guān)，減小R_g(on)會(huì)使得HVIGBT的開通時(shí)間更短，并減小開通損耗。但是，減小R_g(on)會(huì)對(duì)HVIGBT反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)過程有影響，會(huì)使二極管反向恢復(fù)的di/dt更大，并使反向恢復(fù)損耗E_rr增加, 對(duì)二極管的安全工作很不利。因此R_g(on)的選擇要在HVIGBT和反并聯(lián)二極管之間做權(quán)衡，減低損耗的同時(shí)確保兩者都不超出安全工作區(qū)。

R_g(off)和HVIGBT的關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗有關(guān)，R_g(off)越小，關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗越小。同理，關(guān)斷時(shí)間快，會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)候的電流變化率di/dt很大，在雜散電感的影響下，會(huì)在HVIGBT的集電極和發(fā)射機(jī)上產(chǎn)生浪涌電壓，對(duì)HVIGBT的安全造成威脅。

因此，柵極電阻是根據(jù)開關(guān)損耗和浪涌電壓均衡考慮來選定最佳值，不同使用場(chǎng)合(使用條件)選用的最佳R_g值也不一樣。

有時(shí)候?yàn)榱朔謩e控制HVIGBT的開通和關(guān)斷特性，則開通和關(guān)斷時(shí)候使用不同的電阻值，具體的電路設(shè)計(jì)如下圖：

由于HVIGBT等功率器件都存在一定的結(jié)電容，所以會(huì)造成器件導(dǎo)通關(guān)斷的延遲現(xiàn)象，如果一個(gè)橋臂未完全關(guān)斷，而另一橋臂又處于導(dǎo)通狀態(tài)，會(huì)造成上下橋臂直通，如果保護(hù)不及時(shí)會(huì)造成模塊損壞。因此，在控制中，人為加入上下橋臂同時(shí)關(guān)斷時(shí)間，以保證驅(qū)動(dòng)的安全性，我們稱這個(gè)時(shí)間為死區(qū)時(shí)間（定義如圖7.8所示）。死區(qū)時(shí)間大，模塊工作更加可靠，但會(huì)帶來輸出波形的失真及降低輸出效率。死區(qū)時(shí)間小，輸出波形要好一些，只是會(huì)降低可靠性。死區(qū)時(shí)間的計(jì)算需要考慮到驅(qū)動(dòng)器的延遲時(shí)間和HVIGBT的開通和關(guān)斷延遲時(shí)間, 死區(qū)時(shí)間一般是微秒級(jí)別的。

在圖7.9中：

t1：HVIGBT的開通信號(hào)在驅(qū)動(dòng)器上的延遲

t2：HVIGBT的開通延遲

t3：HVIGBT的關(guān)斷信號(hào)在驅(qū)動(dòng)器上的延遲

t4：HVIGBT的關(guān)斷延遲

由圖可見我們?nèi)藶樵O(shè)置的死區(qū)時(shí)間(T_D)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器以及HVIGBT自身的開通和關(guān)斷延遲，最終在波形處反應(yīng)出的真正死區(qū)時(shí)間實(shí)際是T_D’。從圖上可以看到，T_D’可以由下式得出：

為了避免上下管之間的直通現(xiàn)象發(fā)生，T_D’必須大于零，因此死區(qū)時(shí)間的設(shè)置應(yīng)滿足以下公式：