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IGBT的正负电压控制及0V关断技术

IGBT的正负电压控制及0V关断技术

混森蓝兽
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在栅极和发射极之间加入正电压可以开通或使IGBT保持在导通状态。理论上,这个电压至少要高于阈值电压UGE(TO)。如果栅极和发射极之间的电压低于阈值电压UGE(TO),IGBT将关闭或者保持在截止状态。如下文所述,这些理论值并非毫无价值,但事实上必须根据使用环境选择合适的电压。
 
  1. 正电压控制
  如果IGBT栅极和发射极之间的电压为正,或者更准确的说法是该正电压高于阈值电压,IGBT将被开通。由于IGBT的跨导,集电极电流lC是栅-射极电压UCE的函数,另外饱和压降UGEsat,也受控于该电压。也就是说,栅-射极电压越高,集电极电流就越大和饱和压降越低。而通态损耗受控于饱和压降UGEsat=f( IC,UGE),因此需要使用一个相对高的控制电压来获得最低的通态损耗。必须牢记的是,短路时,高栅-射极电压将导致大短路电流。在应用中,需要在正常工作时的通态损耗和故障时的最大短路电流之间妥协。数据手册中其典型值为15V,而20V是制造商给出的保证可靠工作的最大值,一般不应该超过20V。否则,如上文所述,在短路时可能产生危险的大电流。如果考虑栅极氧化层的电压阻断能力,其最大耐受值可达到60V甚至到80V。比如通常100nm的氧化层和特定的绝缘强度为10MV/cm,100V以上才可能产生电弧。但是理论算值并不被认可,这是因为在氧化层边缘处潜在的毛刺降低了绝缘强度。
 
  2. 负电压控制和0V关断
  如果施加一个负的栅极电压,IGBT将关断。如同正栅极电压,负栅极电压不要低于-20V。通常,数据手册中给出的典型值是-15V。然而在实际应用中,成本跟性能同样重要,所以-15V并不适合所有场合。根据实际情况,关断电压可选-15~0V,很多应用场合选用-10--5V的关断电压,其原因在于:
  ·所需的驱动功率低,驱动功率与正负栅极电压的差值直接成正比;
  ·可用的驱动IC。许多驱动IC是在COMS或者BiMCOS上开发的,限制了阻断电压,比如正负电源电压之间最大值为30V。考虑到电源电压的误差和足够的电压安全裕量,通常栅极负电压的范围是从-10~-5V;
  ·产生负栅极电压的同时节约电源功率,最小化成本。
  小功率电力电子装置通常需要一个低成本IGBT驱动解决方案,而放弃负电源电压会简化驱动供电的设计,所以常见于该类应用。当然采用0V关断可能面临寄生开通的问题,对于小功率的电力电子装置,需要折中考虑成本和寄生开通问题。大功率的电力电子装置中,必须防止寄生开通,根据实际的应用可以采取相关的措施来解决,当然这可能存在一些困难,但也并非不可解决。
  寄生开通是指被关断的IGBT再次短时间导通的过程。这种现象通常发生在IGBT半桥拓扑中。下述两种情况都可能导致IGBT误开通:
  ·密勒电容效应导致寄生开通,产生的原因在于集电极和发射极之间的电压变化率duCE/dt;
  ·发射极的杂散电感也会引起寄生开通,产生的原因在于负载电流的变化率diL/dt。

图1.png

图1 UGE分别为0V和-9V时的寄生开通的对比实验

  图1给出半桥电路寄生开通的实验结果。由图1a可以看出IGBTVT1有两个明显的集电极峰值电流。第一个电流尖峰是来源于二极管VD2的反向恢复电流,同时,IGBT VT2的瞬时开通导致第二个电流尖峰,持续时间大约为50ns。额外脉冲电流不会直接危害功率半导体器件,然而,额外的损耗导致严重的温升并降低器件的寿命。另外产生的振荡可能造成驱动级或控制级中电子器件的损坏。多种针对措施,比如IGBT VT2采用栅极负电压关断,可以防止这种情况下的寄生开通。
  0~-15V关断电压也会影响IGBT开关时间。当采用0V/15V和-9V/15V的栅极电压分别控制一个1.2kV的IGBT,其实验结果如图2所示。0V/15V的控制电压相比-9V/15V的控制电压,IGBT的开通过程略为滞后。本例中延迟时间约为200ns,关断过程也会延迟约为650ns。其他的参数,比如UCEsat,dUCE/dt,diC/dt及产生的振荡基本不变,然而后者不再产生寄生开通。

图2.png

图2 IGBT开关特性与门极控制电压UCE之间的关系


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