IGBT模块驱动及保护技术的详细资料说明

2019-07-15 22:05:04 0评

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  IGBT 是 MOSFET 和双极晶体管的复合器件。它既有 MOSFET 易驱动的特点,又具有功率晶体管高电压、电流大等优点。其特性发挥出 MOSFET 和功率晶体管各自的优点,正常情况下可工作于几十 kHz 的频率范围内,故在较高频率应用范围中,其中中、大功率应用占据了主导地位。

  IGBT 是电压控制型器件,在它的栅极发射极之间施加十几 V 的直流电压,只有 µA 级的电流流过,基本上不消耗功率。但 IGBT 的栅极发射极之间存在较大的寄生电容(几千至上万 pF),在驱动脉冲的上升和下降沿需要提供数 A 级的充放电电流,才能满足开通和关断的动态要求,这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。

  IGBT 作为一种大功率的复合器件,存在着过流时可能发生闭锁现象而造成损坏的问题。在过流时如采取一定的速度封锁栅极电压,过高的电流变化会引起过电压,需要采用软关断技术,因此掌握好 IGBT 的驱动和保护特性对于设计人员来说是十分必要的。

  IGBT 的栅极通过氧化膜和发射极实现电隔离。由于氧化膜很薄,其击穿电压一般只能达到 20 到 30V,因此栅极击穿是 IGBT 最常见的失效原因之一。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过最大额定栅极电压,但栅极连线的寄生电感和栅极-集电极之间的电容耦合,也会产生使氧化膜损坏的振荡电压。为此,通常采用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可以抑制振动电压。

  由于 IGBT 的栅极-发射极之间和栅极-集电极之间存在着分布电容,以及发射极驱动电路中存在着分布电感,这些分布参数的影响,使 IGBT 的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同,并且产生了不利于 IGBT 开通和关断的因素。如图 1 所示。

  在 t0 时刻,栅极驱动电压开始上升,此时影响栅极电压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。从此时有两个因素影响 Uge 波形偏离原来的轨迹。首先,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 Ic的增大而加大,从而削弱了栅极驱动电压的上升,并且降低了栅极-发射极间的电压上升率,减缓了集电极的电流增长。其次,另一个影响栅极驱动电路电压的因素是栅极-集电极电容 Cgc的密勒效应。t2 时刻,集电极电流达到最大值,Uce迅速下降使栅极集电极电容 Cgc 开始放电,在驱动电路中增加了 Cgc 的容性电流,使得驱动电路内阻抗上的压降增加,也削弱了栅极驱动电压的进一步上升。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 IGBT 的饱和电压为止。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。

  从图 1 的波形可以看出,由于 Le和 Cge的存在,在 IGBT 的实际运行中 Uge 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和栅极驱动电路的内阻尽量的小,以获得较快的开通速度。

 

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