IGBT开关波形..docVIP

IGBT模块驱动及保护技术 [转贴]br蒋怀刚,李乔,何志伟?? (华南理工大学雅达电源实验室,广东??广州??510641) 摘要:对IGBT栅极驱动特性、栅极串联电阻及其驱动电路进行了探讨.提出了慢降栅压过流保护和过电压吸收的有效方法. 关键词:开关电源;绝缘栅双极晶体管;驱动保护 1??引言 ????IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件.它既有MOSFET易驱动的特点,又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点.其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位. ????IGBT是电压控制型器件,在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压,只有μA级的漏电流流过,基本上不消耗功率.但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容(几千至上万pF),在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A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锁定现象而造成损坏的问题.在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压,过高的电流变化率会引起过电压,为此需要采用软关断技术,因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的. 2??栅极特性 ????IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离.由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般只能达到20~30V,因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一.在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极-集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压.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也可以抑制振荡电压. ????由于IGBT的栅极-发射极和栅极-集电极间存在着分布电容Cge和Cgc,以及发射极驱动电路中存在有分布电感Le,这些分布参数的影响,使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同,并产生了不利于IGBT开通和关断的因素.这可以用带续流二极管的电感负载电路(见图1)得到验证. (a)等 效 电 路?????????????????? (b)开 通 波 形 图1??IGBT开关等效电路和开通波形 在t0时刻,栅极驱动电压开始上升,此时影响栅极电压uge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.从此时开始有2个原因导致uge波形偏离原有的轨迹. 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的增加而加大,从而削弱了栅极驱动电压,并且降低了栅极-发射极间的uge的上升率,减缓了集电极电流的增长. ????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,进而栅极-集电极间电容Cgc开始放电,在驱动电路中增加了Cgc的容性电流,使得在驱动电路内阻抗上的压降增加,也削弱了栅极驱动电压.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降到零为止.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. ????由图1波形可看出,由于Le和Cgc的存在,在IGBT的实际运行中uge的上升速率减缓了许多,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及栅极驱动电路的内阻尽量小,以获得较快的开通速度. ????IGBT关断时的波形如图2所示.t0时刻栅极驱动电压开始下降,在t1时刻达到刚能维持集电极正常工作电流的水平,IGBT进入线性工作区,uce开始上升,此时,栅极-集电极间电容Cgc的密勒效应支配着uce的上升,因Cgc耦合充电作用,uge在t1-t2期间基本不变,在t2时刻uge和ic开始以栅极-发射极间固有阻抗所决定的速度下降,在t3时,uge及ic均降为零,关断结束. ????由图2可看出,由于电容Cgc的存在,使得IGBT的关断过程也延长了许多.为了减小此影响,一方面应选择Cgc较小的IGBT器件;另一方面应减小驱动电路的内阻抗,使流入Cgc的充电电流增加,加快了uce的上升速度. 图 2??IGBT关 断 时 的 波 形 ????在实际应用中,IGBT的uge幅值也影响着饱和导通压降:uge增加,饱和导通电压将减小.由于饱和导通电压是IGBT发热的主要原因之一,因此必须尽量减小.通常uge为15~18V,若过高,容易造成栅极击穿.一般取15V.IGBT关断时给其栅极-