IGBT是电压掌控型器件,在它的栅极-发射极间产生十几V的直流电力,只有A级的漏电流流到,基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间不存在着较小的寄生电容(几千至上万pF),在驱动脉冲电压的下降及上升沿必须获取数A的充放电电流,才能符合通车和变频器的动态拒绝,这使得它的驱动电路也必需输入一定的峰值电流。
IGBT作为一种大功率的填充器件,不存在着过流时有可能再次发生瞄准现象而导致损毁的问题。在过流时如使用一般的速度封锁栅极电压,过低的电流变化率不会引发过电压,为此必须使用硬变频器技术,因而掌控好IGBT的驱动和维护特性是十分必要的。 栅极特性 IGBT的栅极通过一层水解膜与发射极构建电隔绝。
由于此水解膜外壳,其穿透电压一般不能超过20~30V,因此栅极穿透是IGBT过热的少见原因之一。在应用于中有时虽然确保了栅极驱动电压没多达栅极仅次于额定电压,但栅极连线的宿主电感和栅极-集电极间的电容耦合,也不会产生使水解层损毁的波动电压。
为此。一般来说使用绞线来传输驱动信号,以增大宿主电感。在栅极连线中串联小电阻也可以诱导波动电压。 由于IGBT的栅极-发射极和栅极-集电极间不存在着分布电容Cge和Cgc,以及发射极驱动电路中不存在有产于电感Le,这些产于参数的影响,使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同,并产生了有利于IGBT通车和变频器的因素。
这可以用带上续流二极管的电感阻抗电路(闻图1)获得检验。 图1IGBT电源等效电路和通车波形 在t0时刻,栅极驱动电压开始下降,此时影响栅极电压uge下降斜率的主要因素只有Rg和Cge,栅极电压下降较慢。在t1时刻超过IGBT的栅极门槛值,集电极电流开始下降。
从此时开始有2个原因造成uge波形背离原先的轨迹。 首先,发射极电路中的产于电感Le上的感应器电压随着集电极电流ic的减少而增大,从而巩固了栅极驱动电压,并且减少了栅极-发射极间的uge的上升率,减慢了集电极电流的快速增长。 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,集电极电流超过最大值,进而栅极-集电极间电容Cgc开始静电,在驱动电路中减少了Cgc的容性电流,使得在驱动电路内电阻上的压降减少,也巩固了栅极驱动电压。似乎,栅极驱动电路的电阻就越较低,这种效应就越很弱,此效应仍然保持到t3时刻,uce降至零为止。
它的影响某种程度减慢了IGBT的通车过程。在t3时刻后,ic超过稳态值,影响栅极电压uge的因素消失后,uge以较慢的上升率超过最大值。
由图1波形可显现出,由于Le和Cgc的不存在,在IGBT的实际运营中uge的下降速率减慢了许多,这种妨碍驱动电压下降的效应,展现出为对集电极电流下降及通车过程的妨碍。为了减慢此效应,应使IGBT模块的Le和Cgc及栅极驱动电路的内阻尽可能小,以取得较慢的通车速度。 IGBT变频器时的波形如图2右图。
t0时刻栅极驱动电压开始上升,在t1时刻超过刚刚能保持集电极长时间工作电流的水平,IGBT转入线性工作区,uce开始下降,此时,栅极-集电极间电容Cgc的密勒效应支配着uce的下降,因Cgc耦合电池起到,uge在t1-t2期间基本恒定,在t2时刻uge和ic开始以栅极-发射极间固有电阻所要求的速度上升,在t3时,uge及ic皆再降零,变频器完结。 图2IGBT变频器时的波形 由图2可显现出,由于电容Cgc的不存在,使得IGBT的变频器过程也缩短了许多。为了增大此影响,一方面不应自由选择Cgc较小的IGBT器件;另一方面不应增大驱动电路的内电阻,使流向Cgc的充电电流减少,减缓了uce的下降速度。 在实际应用于中,IGBT的uge幅值也影响着饱和状态导通压降:uge减少,饱和状态导通电压将增大。
由于饱和状态导通电压是IGBT痉挛的主要原因之一,因此必需尽可能增大。一般来说uge为15~18V,若过低,更容易导致栅极穿透。
一般所取15V。IGBT变频器时给其栅极-发射极特一定的负偏压不利于提升IGBT的抗侵扰能力,一般来说所取5~10V。
栅极串联电阻对栅极驱动波形的影响 栅极驱动电压的下降、上升速率对IGBT通车变频器过程具有较小的影响。IGBT的MOS闸极不受栅极电压的必要掌控,而MOSFET部分的漏极电流掌控着双极部分的栅极电流,使得IGBT的通车特性主要要求于它的MOSFET部分,所以IGBT的通车不受栅极驱动波形的影响较小。IGBT的变频器特性主要各不相同内部少子的填充速率,少子的填充不受MOSFET的变频器影响,所以栅极驱动对IGBT的变频器也有影响。
在高频应用于时,驱动电压的下降、上升速率应快一些,以提升IGBT电源速率减少损耗。 在长时间状态下IGBT通车就越慢,损耗就越小。但在通车过程中如有续流二极管的反向恢复电流和吸取电容的静电电流,则通车就越慢,IGBT忍受的峰值电流越大,就越更容易造成IGBT伤害。此时不应减少栅极驱动电压的下降速率,即减少栅极串联电阻的阻值,诱导该电流的峰值。
其代价是较小的通车损耗。利用此技术,通车过程的电流峰值可以掌控在给定值。
由以上分析由此可知,栅极串联电阻和驱动电路内电阻对IGBT的通车过程影响较小,而对变频器过程影响小一些,串联电阻小不利于减缓变频器速率,增大变频器损耗,但过小会导致di/dt过大,产生较小的集电极电压尖峰。因此对串联电阻要根据明确设计拒绝展开全面综合的考虑到。
栅极电阻对驱动脉冲的波形也有影响。电阻值过小时不会导致脉冲波动,过大时脉冲波形的前后沿会再次发生延后和变缓。IGBT的栅极输出电容Cge随着其额定电流容量的减少而减小。为了维持完全相同的驱动脉冲前后沿速率,对于电流容量大的IGBT器件,不应获取较小的前后沿充电电流。
为此,栅极串联电阻的电阻值不应随着IGBT电流容量的减少而增大。
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