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对IGBT驱动的理解

时间:09-28 来源:互联网 点击:


  IGBT器件如何开通和关闭,速度是快是慢,其实到如今为止,并没有一个明确结论,最终取决实际应用环境。

  一、先说开通。

  谁都知道,理论上开通速度越快,越早进入饱和去,开关损耗越小。收到实际条件所限,开通速度不能做的太快。

  1、栅极杂散电感影响

  此电感普遍存在,特别是使用磁耦合的驱动电路尤其明显。它与栅极电容产生谐振,增加Rg,可以缓解此现象。无论是Lgs,还是Rg,都会影响开通速度,增加开关损耗。图1。

  

  图1 IGBT栅极驱动

  2、实际电路影响

  使用合理电路,降低Lgs影响,将Rg选择的很小,是否就解决了问题了呢?还没有,如图2,应用于双管正激的拓扑。

  

  图2 应用于双管正激的IGBT

  由于变压器漏感Lts、磁复位引线电感Lds的存在,过高的di/dt,将造成过高的Vce(与Cce产生振荡)。这些电感是很难预测的,为了提高性能,从布线上都是不断降低它们。能量的降低使得Vce收到限制。如果不能完全解决此问题,需要增加吸收。如图3吸收的一种。额外增加的电路需要靠近IGBT根部,否则有害无用。吸收的增加增加了损耗,它是否可以抵消由于开通速度的加快造成的影响,需要实际验证。

  

  图3 RCD吸收

  (单)双管正激是硬开关拓扑中,开通速度最快的一种,对应其它拓扑,比如桥式,情况更加糟糕。对于软开关,尤其是电压软开关,增加开通速度是很好的选择。

  二、再说关闭。

  关闭速度快慢对IGBT关闭损耗影响不大。

  有人说,快速关闭使dv/dt高,会毁坏IGBT。那看什么条件,只有很高dv/dt,IGBT开关速度跟不上时成立。小了只是负反馈作用,增加驱动上流过的电流而已。由于IGBT、母线上往往有吸收,速度受限。不易产生高dv/dt。真有这么高的dv/dt时,只要驱动电路输出阻抗足够低,并不会毁坏栅极。

  再有,笔者十几年从没有见过由于dv/dt过高造成IGBT失效现象,此种只在理论上成立的假设不要再考虑了。

  真实原因是:由于IGBT是少子器件,他不能通过关闭门极来达到快速关闭IGBT目的。因此快速关闭对它无用。

  三、说一说驱动负偏压

  只要控制制好母线电压瞬态过冲,IGBT负偏压不是必须。选择合理的功率拓扑,比如零流谐振变换器,可以最大限度降低对母线影响。

  与MOSFET一样,负偏压可以防止母线过高dv/dt造成门极误导通。笔者说过本人十几年从没有见过由于dv/dt过高造成IGBT失效,主要是指对门极影响。

  门极驱动往往是低阻抗负载,尤其是有源驱动器,阻抗很低,抗干扰能力很强。负偏压选择-5V足以,当然选择-15V未尝不可。更高负偏压会增加驱动损耗。

  四、再论过流保护

  1、高频变换(不直接接负载)

  在设计电路过程中,在IGBT选择上,几乎都会在电流上留有余量,而保护点也往往低于IGBT的额定值。所谓3段式保护只在大于2倍额定电流作用较好。在2倍额定电流保护内最好是直接关闭。不仅反映速度快,而且可以逐个脉冲限流。真要是用它的保护,不仅延时时间长,而且由于关闭损耗大,连续工作要不了多久不坏才怪。

  市面上几乎所有的IGBT驱动器都大肆宣扬所谓3段式保护,可惜在实际应用中,除非你是作为负载开关使用,此功能基本无用。即便是作为负载开关,如果没有一定条件限制,保护功能也形同虚设。

  因此,除非你设计有缺陷,否则,3段式保护无用。

  2、负载开关

  IGBT作为负载开关使用时,过流保护复杂得多。IGBT输出电流取决于门极驱动电压。3段式保护只在大于2倍额定电流作用较好。门极驱动电压太高时,使得短路电流过大,由于存在闩锁现象,栅极关闭不起作用。因此驱动电压不要太高,不要过度追求导通压降。使得3段式过流保护不起作用。一般闩锁现象在输出电流大于5倍额定电流时有可能出现,因此如果想可靠使用3段式过流保护,电流保护点最好小于此点。

  但确定栅极电压与短路电流的关系几乎是不可能的。作为负载开关,限制电流上升率是一个非常好的措施,它同时限制了短路时间。使短路保护可以有多种选择,除了3段式保护(本质上是缓关闭),直接快速关闭也可行。

  在电流小于2倍额定电流时,采用直接快速关闭的方法更有效。假设400V,100A负载开关,选择300A的IGBT作为负载开关,1uH电感作为电流上升率限制。则:di/dt=400A/us。

  设100A为保护点,电流小于2倍额定电流,则:允许关闭最大延时(2*300-100)/400=1.25us。此条件不难满足。

即:为满足快速关断条件,IGBT容量选择要足够大,这样换来更大的保护延时,更小的短路抑制电感。换句话说,如果将保护延时设计的很小,也可以降低短路抑制电感,降低IGBT容量。从而提高可靠性。还是上例,如果保护延时达到200ns则:实际电流关闭点:100+400*0.2=180A。如果不

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