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IGBT基礎與運用知識

文章來源:穩壓電源公司,時間:2020-03-17 17:47    點擊量:

IGBT基礎與運用 
 
IGBT, 中文名字為絕緣柵雙極型晶體管,它是由MOSFET(輸入級)和PNP晶體管(輸出級)復合而成的一種器件,既有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快 的特點(控制和響應),又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(功率級較為耐用),頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間,可正常工作于幾十kHz 頻率范圍內。
 
理想等效電路與實際等效電路如圖所示:
IGBT基礎與運用知識
IGBT 的靜態特性一般用不到,暫時不用考慮,重點考慮動態特性(開關特性)。
動態特性的簡易過程可從下面的表格和圖形中獲?。?/div>
 
IGBT的開通過程
IGBT 在開通過程中,分為幾段時間
1.與MOSFET類似的開通過程,也是分為三段的充電時間
2.只是在漏源DS電壓下降過程后期,PNP晶體管由放大區至飽和過程中增加了一段延遲時間。
在上面的表格中,定義了了:開通時間Ton,上升時間Tr和Tr.i
除了這兩個時間以外,還有一個時間為開通延遲時間td.on:td.on=Ton-Tr.i
 
IGBT在關斷過程
IGBT在關斷過程中,漏極電流的波形變為兩段。
第一段是按照MOS管關斷的特性的
第二段是在MOSFET關斷后,PNP晶體管上存儲的電荷難以迅速釋放,造成漏極電流較長的尾部時間。
在上面的表格中,定義了了:關斷時間Toff,下降時間Tf和Tf.i
除了表格中以外,還定義
trv為DS端電壓的上升時間和關斷延遲時間td(off)。
漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成,而總的關斷時間可以稱為toff=td(off)+trv十t(f),td(off)+trv之和又稱為存儲時間。 
從下面圖中可看出詳細的柵極電流和柵極電壓,CE電流和CE電壓的關系:
 
從另外一張圖中細看MOS管與IGBT管柵極特性可能更有一個清楚的概念:
開啟過程
 
關斷過程
 
嘗試去計算IGBT的開啟過程,主要是時間和門電阻的散熱情況。
 
C.GE 柵極-發射極電容
C.CE 集電極-發射極電容
C.GC 門級-集電極電容(米勒電容)
 
Cies = CGE + CGC 輸入電容
Cres = CGC       反向電容
Coes = CGC + CCE 輸出電容
根據充電的詳細過程,可以下圖所示的過程進行分析
 
對應的電流可簡單用下圖所示:
 
第1階段:
 
柵級電流對電容CGE進行充電,柵射電壓VGE上升到開啟閾值電壓VGE(th)。這個過程電流很大,甚至可以達到幾安培的瞬態電流。在這個階 段,集電極是沒有電流的,極電壓也沒有變化,這段時間也就是死區時間,由于只對GE電容充電,相對來說這是比較容易計算的,由于我們采用電壓源供電,這段 曲線確實是一階指數曲線。
 
第2階段:
 
柵極電流對Cge和Cgc電容充電,IGBT的開始開啟的過程了,集電極電流開始增加,達到最大負載電流電流IC,由于存在二極管的反向恢復電流,因此這個過程與MOS管的過程略有不同,同時柵極電壓也達到了米勒平臺電壓。
 
第3階段:
 
柵極電流對Cge和Cgc電容充電,這個時候VGE是完全不變的,值得我們注意的是Vce的變化非???。
 
第4階段:
 
柵極電流對Cge和Cgc電容充電,隨著Vce緩慢變化成穩態電壓,米勒電容也隨著電壓的減小而增大。Vge仍舊維持在米勒平臺上。
 
第5階段:
 
這個時候柵極電流繼續對Cge充電,Vge電壓開始上升,整個IGBT完全打開。
我的一個同事在做這個將整個過程等效為一階過程。
如果以這個電路作為驅動電路的話:
 
驅動的等效電路可以表示為:
 
利用RC的充放電曲線可得出時間和電阻的功率。
這么算的話,就等于用指數曲線,代替了整個上升過程,結果與等效的過程還是有些差距的。
 
不過由于C.GE,C.CE,C.GC是變化的,而且電容兩端的電壓時刻在變化,我們無法完全整理出一條思路來。
 
很多供應商都是推薦使用Qg來做運算,計算方法也可以整理出來,唯一的變化在于Qg是在一定條件下測定的,我們并不知道這種做法的容差是多少。
 
我覺得這種做法的最大的問題是把整個Tsw全部作為充放電的時間,對此還是略有些疑惑的。
 
說說我個人的看法,對這個問題,定量的去計算得到整個時間非常困難,其實就是仿真也是通過數字建模之后進行實時計算的結果,這個模型與實際的條件進行對比也可能有很大的差距。
因此如果有人要核算整個柵極控制時序和時間,利用電容充電的辦法大致給出一個很粗略的結果是可以的,如果要精確的,算不出來。
對于門級電阻來說,每次開關都屬于瞬態功耗,可以使用以前介紹過的電阻的瞬態功率進行驗算吧。
 
電阻抗脈沖能力
 
我們選電阻的大小是為了提供足夠的電流,也是為了足夠自身散熱情況。
前級的三極管,這個三極管的速度要非???,否則如果進入飽和的時間不夠短,在充電的時候將可能有鉗制作用,因此我對于這個電路的看法是一定要做測試??蛰d的和帶負載的,可能情況有很大的差異。
 
柵極驅動的改進歷程和辦法(針對米勒平臺關斷特性)
 
前面都講了一些計算的東西,這次總結一些設計法則。
柵極電阻:其目的是改善控制脈沖上升沿和下降沿的斜率,并且防止寄生電感與電容振蕩,限制IGBT集電極電壓的尖脈沖值。
柵極電阻值小——充放電較快,能減小開關時間和開關損耗,增強工作的耐固性,避免帶來因dv/dt的誤導通。缺點是電路中存在雜散電感在IGBT上產生大的電壓尖峰,使得柵極承受噪聲能力小,易產生寄生振蕩。
柵極電阻值大——充放電較慢,開關時間和開關損耗增大。
 
一般的:開通電壓15V±10%的正柵極電壓,可產生完全飽和,而且開關損耗最小,當<12V時通態損耗加大,>20V時難以實現過流及短路保護。關斷偏壓-5到-15V目的是出現噪聲仍可有效關斷,并可減小關斷損耗最佳值約為-8~10V。
 
柵極參數對電路的影響
IGBT 內部的續流二極管的開關特性也受柵極電阻的影響,并也會限制我們選取柵極阻抗的最小值。IGBT的導通開關速度實質上只能與所用續流二極管反向恢復特性相 兼容的水平。柵極電阻的減小不僅增大了IGBT的過電壓應力,而且由于IGBT模塊中di/dt的增大,也增大了續流二極管的過壓極限。
 
柵極電阻與關斷變化圖
柵極驅動的印刷電路板布線需要非常注意,核心問題是降低寄生電感,對防止潛在的振蕩,柵極電壓上升速率,噪音損耗的降低,降低柵極電壓的需求或減小柵極保護電路的效率有較大的影響。
 
措施
因此將驅動至柵極的引線加粗,將之間的寄生電感減至最低??刂瓢迮c柵極驅動電路需要防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。
 
當控制板和IGBT控制端子不能直接連接時,考慮用雙股絞線(2轉/CM小于3CM長)或帶狀線,同軸線進行連接。
 
柵極保護
為了保險起見,可采用TVS等柵極箝位保護電路,考慮放置于靠近IGBT模塊的柵極和發射極控制端子附近。
 
耦合干擾與噪聲
IGBT的開關會使用相互電位改變,PCB板的連線之間彼此不宜太近,過高的dv/dt會由寄生電容產生耦合噪聲。要減少器件之間的寄生電容,避免產生耦合噪聲。
 
由于IGBT等功率器件都存在一定的結電容,所以會造成器件導通關斷的延遲現象。雖然我們盡量考慮去降低該影響(提高控制極驅動電壓電流,設置結電容釋放 回路等)。但是為了防止關斷延遲效應造成上下橋臂直通,因為一個橋臂未完全關斷,而另一橋臂又處于導通狀態,直通炸模塊后后果非常嚴重(最好的結果是過 熱)。
 
死區時間(空載時間)設置
在控制中,人為加入上下橋臂同時關斷時間,以保證驅動的安全性。死區時間大,模塊工作更加可靠,但會帶來輸出波形的失真及降低輸出效率。死區時間小,輸出波形要好一些,只是會降低可靠性,一般為us級,典型數值在3us以上。
 
在應用中,特別要注意環境溫度對toff的影響很大,使得toff延長,并且柵極電阻的加入也是的關斷時間受一定的影響,因此需要進行調整。
 
IGBT柵極引起的問題列表(紅色部分圈注的):
 

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