【導(dǎo)讀】IGBT是一種電壓驅(qū)動的電子開關(guān),正常情況下只要給15V電壓就可以飽和導(dǎo)通,實際器件的驅(qū)動是給柵極端口電容充放電,還是需要電流的。IGBT驅(qū)動電流峰值電流取決于柵極總電阻,電流取決于柵極電荷,但我們一般講的是峰值電流。
IGBT驅(qū)動需要電流:
IGBT是一種電壓驅(qū)動的電子開關(guān),正常情況下只要給15V電壓就可以飽和導(dǎo)通,實際器件的驅(qū)動是給柵極端口電容充放電,還是需要電流的。IGBT驅(qū)動電流峰值電流取決于柵極總電阻,電流取決于柵極電荷,但我們一般講的是峰值電流。
驅(qū)動的峰值電流很好理解,按照歐姆定律,由驅(qū)動電壓和驅(qū)動電阻決定:
但在小阻值驅(qū)動回路中,實際測得驅(qū)動電流一般比上述公式計算值要小,原因是驅(qū)動回路中還有雜散電感存在,因此電流峰值一般為計算值的70%。
如果柵極存在振蕩,而且是低阻尼振蕩的話,驅(qū)動電流會大于計算值,這在驅(qū)動電路設(shè)計中要考慮到。
柵極電感對驅(qū)動電流的影響:
先看一個實測的例子,結(jié)果可能出乎你意料,電感大,開通損耗低。
圖中給出了一個實驗測量結(jié)果。該實驗中,比較了6cm和18cm長的雙絞驅(qū)動線下的IGBT動態(tài)特性,長線18cm,驅(qū)動電感LG大,但開通損耗Eon降低了約31mJ。
這是為什么呢?
當(dāng)將驅(qū)動連接到IGBT柵極時,不可避免地會存在寄生電感,且寄生電感與柵極電阻串聯(lián)。這個寄生電感包括引線電感(無論這種連接是線纜或是電路板上的走線),柵極電阻自身電感和與模塊柵極結(jié)構(gòu)的電感。
柵極引線電感對IGBT開通關(guān)斷過程的影響如下圖所示。引線電感越大,IGBT開通的di/dt和dv/dt越大。然而,關(guān)斷時開關(guān)速度保持不變,但有延遲。
如何解釋這一現(xiàn)象呢?電感特性就是阻止電流變化,在電感中電流不能突變,就是說最初時寄生電感阻礙著柵極電容充電,一旦達到最大柵極電流,電感就趨向維持這個電流,釋放電感中的能量,就像一個電流源一樣為IGBT的柵極電容充電,所以驅(qū)動電流是增加的,開通損耗降低。
實驗發(fā)現(xiàn)只有在正負電源驅(qū)動中,如-15V/15V驅(qū)動的開通過程中才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象,單電源,如0V/15V驅(qū)動的開通只會延遲,開關(guān)速度沒變,開通損耗沒有降低。這又是為什么呢?
對于IGBT,當(dāng)柵極電壓達到閥值電壓UGE(TO)之前,它是關(guān)斷的。在柵極電壓為0V/15V的驅(qū)動器中,如果增加?xùn)艠O引線電感,一般柵極電壓超過UGE(TO)后柵極電流才達到最大值。在這種情況下,離開密勒平臺后,才會有儲存在寄生電感中的能量去充柵極電容,使得柵極電壓最終達到15V,這時有點晚了,只會產(chǎn)生開通延遲,不會對開通速度產(chǎn)生影響。
在-15V/15V的柵極電壓下,情況不同,在柵極電壓即將達到UGE(TO)時,柵極電流已經(jīng)達到最大,存儲在寄生電感中的能量加快了IGBT開通速度,當(dāng)然也產(chǎn)生開通延遲。
驅(qū)動電流越大越好嗎?
這里講的是實際的驅(qū)動電流,不是驅(qū)動器輸出電流能力。設(shè)計驅(qū)動電流就是選柵極電阻值,驅(qū)動電流大就意味著減小柵極電阻Rg,要使得開關(guān)損耗最低,要找到電路不振蕩的臨界值。
振蕩臨界值:
含寄生參數(shù)的驅(qū)動電路,主要關(guān)注驅(qū)動線的電感,在這里只研究它對振蕩臨界值的影響。
在開通和關(guān)斷時,假設(shè)IGBT的內(nèi)部電容CGE恒定,寄生電感LG和獨立的引線電感LGon與LGoff由二階RLC電路的微分方程推導(dǎo)確定,即:
式中,L為柵極路徑中電感的總和(H);RG為外部和內(nèi)部柵極電阻的總和(Ω),iG(t)為隨時間變化的柵極電流(A)。
求解上述微分方程得出Ipeak為:
式中,e為自然對數(shù),e=2.71828。
同時可以得到柵極路徑中不會引起振蕩的最小柵極電阻RG,min為:
式中,∑LG為柵極負載電感總和(LG+LGon或LG+LGoff)(H)。
從公式中可以看出,如果電感LG比較大,相應(yīng)的柵極電阻RG的值也必須增大,以避免振蕩,尤其要注意RGon選值,太小的話,IGBT開通過快,一方面造成二極管的反向恢復(fù)損耗增加,甚至?xí)?dǎo)致續(xù)流二極管會發(fā)生跳變行為(snap-off),從而引起振蕩,還有可能損壞二極管。
上圖解讀:開通過程中,由于柵極雜散電感太高(Rg電阻沒有為此選很大時)導(dǎo)致二極管振蕩并超出SOA (1.7kV IGBT模塊)
舉個數(shù)值例子:
如果驅(qū)動為+15V,-10V,那么?UGE=25V,柵極回路電感量為20nH,IGBT的輸入電容為30nF,那么:
如果設(shè)計中柵極電阻取值小于1.63歐姆,驅(qū)動電路就會振蕩,如果在這一臨界值上電路不振蕩,那么驅(qū)動電流峰值為:
如果增加?xùn)艠O電阻,寄生電感參數(shù)影響變小,系數(shù)0.74會接近1.0。
結(jié)論:
1. 理解IGBT驅(qū)動電流很重要;
2. IGBT驅(qū)動線長,開通損耗可能降低;
3. 驅(qū)動設(shè)計時需要選取合適的驅(qū)動電流,太小驅(qū)動能力不足,增加功率器件損耗,太大可能引起開通振蕩。
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