IGBT基础与运用-3

作者：yzhu05

前面都讲了一些计算的东西，这次总结一些设计法则。

栅极电阻：其目的是改善控制脉冲上升沿和下降沿的斜率，并且防止寄生电感与电容振荡，限制IGBT集电极电压的尖脉冲值。

栅极电阻值小——充放电较快，能减小开关时间和开关损耗，增强工作的耐固性，避免带来因dv/dt的误导通。缺点是电路中存在杂散电感在IGBT上产生大的电压尖峰，使得栅极承受噪声能力小，易产生寄生振荡。

栅极电阻值大——充放电较慢，开关时间和开关损耗增大。



一般的：开通电压15V±10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关损耗最小，当<12V时通态损耗加大，>20V时难以实现过流及短路保护。关断偏压-5到-15V目的是出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值约为-8～10V。

栅极参数对电路的影响

IGBT 内部的续流二极管的开关特性也受栅极电阻的影响，并也会限制我们选取栅极阻抗的最小值。IGBT的导通开关速度实质上只能与所用续流二极管反向恢复特性相兼容的水平。栅极电阻的减小不仅增大了IGBT的过电压应力，而且由于IGBT模块中di/dt的增大，也增大了续流二极管的过压极限。



栅极电阻与关断变化图

栅极驱动的印刷电路板布线需要非常注意，核心问题是降低寄生电感，对防止潜在的振荡，栅极电压上升速率，噪音损耗的降低，降低栅极电压的需求或减小栅极保护电路的效率有较大的影响。



措施

因此将驱动至栅极的引线加粗，将之间的寄生电感减至最低。控制板与栅极驱动电路需要防止功率电路和控制电路之间的电感耦合。



当控制板和IGBT控制端子不能直接连接时，考虑用双股绞线(2转/CM小于3CM长)或带状线，同轴线进行连接。

栅极保护

为了保险起见，可采用TVS等栅极箝位保护电路，考虑放置于靠近IGBT模块的栅极和发射极控制端子附近。IGBT基础与运用-2 中英飞凌的电路比较典型。

耦合干扰与噪声

IGBT的开关会使用相互电位改变，PCB板的连线之间彼此不宜太近，过高的dv/dt会由寄生电容产生耦合噪声。要减少器件之间的寄生电容，避免产生耦合噪声。



由于IGBT等功率器件都存在一定的结电容，所以会造成器件导通关断的延迟现象。虽然我们尽量考虑去降低该影响（提高控制极驱动电压电流，设置结电容释放回路等）。但是为了防止关断延迟效应造成上下桥臂直通，因为一个桥臂未完全关断，而另一桥臂又处于导通状态，直通炸模块后后果非常严重（最好的结果是过热）。

死区时间（空载时间）设置

在控制中，人为加入上下桥臂同时关断时间，以保证驱动的安全性。死区时间大，模块工作更加可靠，但会带来输出波形的失真及降低输出效率。死区时间小，输出波形要好一些，只是会降低可靠性，一般为us级，典型数值在3us以上。



在汽车电子应用中，特别要注意环境温度对toff的影响很大，使得toff延长，并且栅极电阻的加入也是的关断时间受一定的影响，因此需要进行调整。

IGBT 栅极引起的问题列表（红色部分圈注的）：