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1、IGBT的驅(qū)動(dòng)特性及功率計(jì)算陳暹輝深圳裕能達(dá)電氣有限公司摘要:根據(jù)目前市場(chǎng)的使用情況,介紹 IGBT的驅(qū)動(dòng)特性及不同功率計(jì)算。關(guān)鍵詞:開(kāi)通損耗 關(guān)斷損耗 柵極電阻 導(dǎo)通壓降 短路時(shí)間51 IGBT的驅(qū)動(dòng)特性耗和導(dǎo)通損耗,但同時(shí)將使IGBT能承受的短路1.1 驅(qū)動(dòng)特性的主要影響因素IGBT的驅(qū)動(dòng)條件與IGBT的特性密切相關(guān)。設(shè) 計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí),應(yīng)特別注意開(kāi)通特性、負(fù)載 短路能力和dv/dt引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題。柵極電壓Uge增加(應(yīng)注意 Uge過(guò)高而損壞IGBT ), 則通態(tài)電壓下降 (Eon也下降),如圖1所示(此處以200 A IGBT為例)。由圖1中可看出,若Uge 固定不變時(shí),導(dǎo)通電壓將
2、隨集電極電流增大而增時(shí)間變短(10 g以下),使續(xù)流二極管反向恢復(fù)過(guò)電壓增大,所以務(wù)必控制好柵極電壓的變化范圍,一般 Vge可選擇在-10+15 V之間,關(guān)斷電壓-10 V,開(kāi)通電壓+15 V。開(kāi)關(guān)時(shí)Uge與Ig的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2 a和圖2 b所示。柵極電阻Rg增加,將使IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間增加,使開(kāi)通與關(guān)斷能耗均增加,但同時(shí),可以使續(xù)流二極管的反恢復(fù)過(guò)電壓減小,同時(shí)減少高,如圖1 a,電流容量將隨結(jié)溫升高而減少(NPTEMI的影響。而門(mén)極電阻減少,貝U又使di/dt增大, 工藝正溫度特性的體現(xiàn))如圖1b所示。(a) Uge與Uce和Ic的關(guān)系 (b) Uge與Ic和Tvj的關(guān)系(a)開(kāi)通時(shí)
3、(b)關(guān)斷時(shí)圖1 柵極電壓Uge與Uce和Tvj的關(guān)系圖2開(kāi)關(guān)時(shí)Uge與Ig的關(guān)系曲線柵極電壓Uge直接影響IGBT的可靠運(yùn)以使得IGBT關(guān)斷時(shí)由du/dt所帶來(lái)誤觸發(fā)的可能行,柵極電壓增高時(shí)有利于減小IGBT的開(kāi)通損性減小,同時(shí)也可以提高IGBT承受短路能量的能力,所以Rg大小各有好壞,客戶可根據(jù)自己設(shè)所有特性難以同時(shí)最佳化,根據(jù)不同應(yīng)用,在參計(jì)特點(diǎn)選擇。圖3為Rg大小對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響, 數(shù)設(shè)定時(shí)進(jìn)行評(píng)估,找到最佳折沖點(diǎn)。損耗關(guān)系請(qǐng)參照?qǐng)D 4所示。雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)特性隨基極驅(qū)動(dòng)條件而Rg_on = Nominal Value變化,然而,對(duì)于 IGBT來(lái)說(shuō),正如圖 1圖3 所示,門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件
4、僅對(duì)其開(kāi)關(guān)特性有較大影響,Rg.on < Nomina* Value因此,對(duì)于其導(dǎo)通特性來(lái)講,我們應(yīng)將更多的注 意力放在IGBT的開(kāi)通、短路負(fù)載容量上。1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)布局l )從結(jié)構(gòu)原理上講,IGBT的開(kāi)通特性同Rfl_on a Nominat ValueMOSFET,而輸出特性同BJT,等效于MOSFET+BJT, 因此IGBT與MOSFET都是電壓驅(qū)動(dòng), 都具有一 個(gè)閾值電壓,有一個(gè)容性輸入阻抗,因此IGBT對(duì)柵極電荷非常敏感故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠,要圖3 Rg大小對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響(di/dt大小不同)圖4 門(mén)極電阻 Rg與Eon/Eoff由上述可得:IGBT的特性隨門(mén)極驅(qū)
5、動(dòng)條件的變化而變化,就象雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)特性和安全工作區(qū)隨基極驅(qū)動(dòng)而變化一樣。但是IGBT 保證有一條低阻抗值的放電回路,即驅(qū)動(dòng)電路與 IGBT的連線要盡量短。2) 用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電,以保證柵極控制電壓Uge,有足夠陡的前后沿,使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外, IGBT開(kāi)通后, 柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率,使IGBT之雙極晶體管BJT始終工作在飽和區(qū)。3)驅(qū)動(dòng)電壓Uge的選擇可參考圖 1,注意其大小的影響,若 Uge選大了,則IGBT通態(tài)壓降 和開(kāi)通損耗均下降,但負(fù)載短路時(shí)的Ic增大,IGBT能承受短路電流的時(shí)間減小,對(duì)其安全不PlGBT =fsw (Eon+Eoff)
6、I,s/I nom利,因此在有短路工作過(guò)程的設(shè)備中Uge應(yīng)選得小些,通常1215 V比較合適。4)驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸線路設(shè)計(jì)要考慮器件延遲, 特別是光耦,注意傳輸比選擇。5)在關(guān)斷過(guò)程中, 為盡快抽取IGBT輸入電 容(Cies)上的存儲(chǔ)電荷,須施加一負(fù)偏壓 Uge,但 它的大小受IGBT的G, E間最大反向耐壓限制, 一般取-10 V為宜。6) 在大電感負(fù)載下,IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間不能太短,以限制出di/dt形成的尖峰電壓,設(shè)計(jì)正確的過(guò)流保護(hù)電路,確保IGBT的安全。7)注意兩種隔離:強(qiáng)、弱電之間的隔離 (信 號(hào)共地問(wèn)題)和輸入、輸出信號(hào)之間的隔離(采用變壓器/光耦等),最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)
7、功能,有較強(qiáng)的抗干擾能力。8)針對(duì)大功率IGBT ,可考慮增加推挽對(duì)管 (如目前通用的 MJD 44H11/45H11 )放大驅(qū)動(dòng)功率,或者選用比較流行的瑞士CT-CONCEPT專用大功率驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品如 2SD315 -等。2 IGBT的功率損耗計(jì)算(硬開(kāi)關(guān)情況)2.1動(dòng)態(tài)損耗1) IGBT開(kāi)關(guān)損耗:其中,fsw = IGBT開(kāi)關(guān)頻率,Eon=開(kāi)通能量(參 數(shù)表提供),Eoff =關(guān)斷能量(參數(shù)表提供),Is=實(shí) 際工作電流 I nom= 標(biāo)稱電流。2)續(xù)流二極管開(kāi)關(guān)損耗:Pdiode = fsw Erec If/ I nom其中,fw=IGBT開(kāi)關(guān)頻率,Erec=續(xù)流能量(參數(shù)表提供),If =實(shí)際工作電流lnom=標(biāo)稱電流。2.2 導(dǎo)通損耗1 ) IGBT導(dǎo)通損耗:PlGBT =Vcesat Is D其中,Vcesat =飽和壓降(參數(shù)表提供),ls=集電極 電流D=平均占空比。2)續(xù)流二極管導(dǎo)通損耗:Pdiode = VF If (1-D)其中,Vf=導(dǎo)通壓降(參數(shù)表提供),lF =實(shí)際工作 電流,D=平均占空比。3總結(jié)目前IGBT的從晶片的制造技
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