IGBT模塊的工作原理和保證IGBT的安全工作條件
IGBT模塊的工作過(guò)程分為開(kāi)通和關(guān)斷兩大階段:
IGBT的開(kāi)通過(guò)程按時(shí)間可以分為四個(gè)過(guò)程,如下:
第一, 門(mén)射電壓Vge小于閥值電壓Vth時(shí)。其門(mén)極電阻RG和門(mén)射電容CGEI的時(shí)間常數(shù)決定這一過(guò)程。當(dāng)器件的集電極電流IC 和集射電壓VCE均保持不變時(shí)，CGEI就是影響其導(dǎo)通延遲時(shí)間tdon的唯一因素。
第二, 當(dāng)門(mén)射電壓Vge達(dá)到其閥值電壓時(shí)，開(kāi)通過(guò)程進(jìn)入第二階段，IGBT開(kāi)始導(dǎo)通，其電流上升速率 dI/dt的大小與門(mén)射電壓Vge 和器件的跨導(dǎo)gfs有如下關(guān)系: dIc/dt = gfs(Ic)*dVge/dt
其中，dVge/dt由器件的門(mén)極電阻Rg和門(mén)射電容CGEI所決定 (對(duì)于高壓型IGBT來(lái)說(shuō)，門(mén)集電容Cgc可忽略不計(jì))。
第三, 第三階段從集電極電流達(dá)到最大值ICmax(FWD的逆向峰值電流IRM 加上負(fù)載電流IL)時(shí)開(kāi)始，克服反向電壓VR使二極管截止，此時(shí)IGBT的集射電壓Vce開(kāi)始下降，隨著Vce的下降，電壓可控的門(mén)集之間的場(chǎng)電容容抗Cgc成近百倍增大。當(dāng)門(mén)射驅(qū)動(dòng)電壓保持恒定時(shí)，所有的門(mén)極電流都被投入到對(duì)增長(zhǎng)的Cgc的放電上。因此，本階段的導(dǎo)通受門(mén)極電阻和場(chǎng)電容的時(shí)間常數(shù)所影響。該時(shí)間常數(shù)決定器件的電壓變化速率 dVce/dt 并對(duì)器件的導(dǎo)通損耗造成很大的影響。
第四, 開(kāi)通之后，器件進(jìn)入穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)。
對(duì)dIc/dt和 dVce/dt的控制場(chǎng)電容增加，門(mén)射電容減少，這樣的IGBT若使用一般的”R”-門(mén)極驅(qū)動(dòng)，將導(dǎo) 致dI/dt值的增加和dV/dt值的減少。dI/dt 的增大引起在FWD反向恢復(fù)其間器件承受較高的壓力以及由二極管的恢復(fù)而可能出現(xiàn)較高的負(fù)dI/dt值，從而在雜散電感的作用下導(dǎo)致器件過(guò)壓。而低的dV/dt值引起高的開(kāi)關(guān)損耗。因而唯有通過(guò)改變門(mén)極電阻Rg的大小來(lái)均衡才能化解dI/dt與dV/dt大小的沖突。RG的取值務(wù)必保證dIc/dt的調(diào)節(jié)始終處于器件的安全工作區(qū)內(nèi)，但這樣一來(lái)dV/dt的值就會(huì)很低導(dǎo)致開(kāi)通損耗不能接受。因此，解決的方法是采用”RC”門(mén)極驅(qū)動(dòng)，即在IGBT的門(mén)射之間再接入附加電容Cge。通過(guò)該電容來(lái)調(diào)節(jié)上述開(kāi)通第二過(guò)程中門(mén)射電壓和電流變化率dIc/dt的上升，不過(guò)，Cge對(duì)開(kāi)通的第三過(guò)程沒(méi)什么影響，因?yàn)闆](méi)有引起dVge /dt的改變。dVce/dt升高使得器件的開(kāi)通損耗減少，控制門(mén)極電阻使FWD上的dV/dt的變化值不超過(guò)其臨界值。門(mén)極電阻Rg確定之后，就可通過(guò)調(diào)節(jié)外接的Cge來(lái)設(shè)定合適的dIc/dt值。采用”RC”-門(mén)極驅(qū)動(dòng)的結(jié)果，dIc/dt 的設(shè)定值約為5kA/μs,而不同的dVce/dt值由不同的RC值所決定。適當(dāng)?shù)剡x擇RC值可使器件的開(kāi)通損耗大量降低甚至超過(guò)50%。
IGBT模塊的關(guān)斷:
IGBT不一定要加負(fù)壓，0V也可以關(guān)斷，只是加負(fù)壓關(guān)斷更快，而且可以防止上下半橋相互影響，避免直通。比如上半橋開(kāi)通時(shí)，下半橋的門(mén)極由于米勒電容的存在，會(huì)使門(mén)極電壓抬升，且開(kāi)通越快，抬升越高，當(dāng)門(mén)極電壓采用0V關(guān)斷時(shí)，有可能抬升超過(guò)門(mén)檻電壓Vgeth而使IGBT導(dǎo)通，此時(shí)就會(huì)發(fā)生上下直通，而如果是采用負(fù)壓關(guān)斷，因?yàn)橄掳霕蛟陉P(guān)斷時(shí)門(mén)極電壓是負(fù)的，比如-5V，那么抬升的部分跟負(fù)壓相抵，很難抬升到門(mén)檻電壓，就避免了上下直通的風(fēng)險(xiǎn)。另外，采用負(fù)壓關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)由于負(fù)壓的存在，使得關(guān)斷速度更快，可以減小關(guān)斷損耗。
①驅(qū)動(dòng)電路：由于IGBT的UCE(sat)和短路耐量之間的折衷關(guān)系，建議將柵極電壓選為+UG＝15V±10%，—UG =5~10V。柵極電阻與IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷特性密切相關(guān)，RG小時(shí)開(kāi)關(guān)損耗減少，開(kāi)關(guān)時(shí)間縮短，關(guān)斷脈沖電壓增大。應(yīng)根據(jù)浪涌電壓和開(kāi)關(guān)損耗的最佳折衷關(guān)系（與頻率有關(guān)）選擇合適的RG值，一般選為10~27Ω。為防止柵極開(kāi)路，在柵極與發(fā)射極問(wèn)并聯(lián)20~30kΩ的電阻。
②保護(hù)電路： IGBT模塊使用在高頻時(shí)，布線電感容易產(chǎn)生尖峰電壓，必須注意布線電感和組件的配置。應(yīng)設(shè)的保護(hù)項(xiàng)目有：過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、柵極過(guò)壓及欠壓保護(hù)、安全工作區(qū)、過(guò)熱保護(hù)。
③ 吸收電路：由于IGBT開(kāi)關(guān)速度快，容易產(chǎn)生浪涌電壓，所以必須設(shè)有浪涌鉗位電路。
④IGBT 并聯(lián)使用時(shí)應(yīng)考慮柵極電路的線路布線、電流不平衡和器件之間的溫度不平衡等問(wèn)題。
IGBT模塊的工作原理和保證IGBT的安全工作條件