IGBT 栅极特性对开关过程的影响与改善措施

2017-06-04 79 0

IGBT 的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于该氧化膜很薄,其击穿电压一般只有 20~30 V,故栅极击穿是 IGBT 失效的常见原因之一。应用中有时虽保证栅极驱动电压未超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感与栅极—集电极间电容的耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此通常采用双绞线传送驱动信号以减小寄生电感,在栅极连线中串联小电阻也可抑制振荡电压。

由于 IGBT 的栅极—发射极与栅极—集电极间存在分布电容 Cge、Cgc,且发射极驱动电路中存在分布电感 Le,这些分布参数使实际驱动波形与理想波形不完全相同,产生不利于开通和关断的因素。

IGBT 开关等效电路与开通波形如图3-5 所示。t0 时刻栅极驱动电压开始上升,此时影响 Uge 上升斜率的主要是 Rg 与 Cge,栅压上升较快;t1 时刻达到栅极门槛值、集电极电流开始上升。自此时起有两个原因使 Uge 波形偏离原有轨迹。

图3-5 IGBT 开关等效电路和开通波形

(1)发射极电路中的分布电感 Le 上的感应电压随集电极电流 ic 增加而加大,削弱了栅极驱动电压、降低栅极—发射极间 Uge 的上升率,减缓了集电极电流增长。

(2)栅极—集电极电容 Cgc 的密勒效应。t2 时刻集电极电流达最大值,随后 Cgc 开始放电,在驱动电路中增加了 Cgc 的容性电流、使驱动电路内阻抗上的压降增加,也削弱栅极驱动电压。栅极驱动电路阻抗越低该效应越弱,此效应持续到 t3 时刻 Uce 降至零为止,同样减缓开通。t3 之后 ic 达稳态值,影响 Uge 的因素消失,Uge 以较快上升率达最大值。

由图3-5 波形可见,由于 Le 与 Cgc 的存在,实际运行中 Uge 上升速率减缓许多,这种阻碍驱动电压上升的效应表现为对集电极电流上升及开通过程的阻碍。为减缓该效应,应使 IGBT 模块的 Le、Cgc 及栅极驱动电路内阻尽量小,以获得较快开通速度。

IGBT 关断波形如图3-6 所示。t0 时刻栅极驱动电压开始下降,t1 时刻达到刚能维持集电极正常电流的水平、IGBT 进入线性工作区、Uce 开始上升;此时 Cgc 的密勒效应支配 Uce 上升,因 Cgc 耦合充电作用,Uge 在 t1~t2 期间基本不变,t2 时刻 Uge、ic 开始以栅极—发射极固有阻抗决定的速度下降,t3 时二者降为零、关断结束。

图3-6 IGBT 关断时波形

由图3-6 可见,由于电容 Cgc 的存在,IGBT 的关断过程也延长许多。为减小此影响,一方面应选择 Cgc 较小的 IGBT 器件;另一方面应减小驱动电路内阻抗,使流入 Cgc 的充电电流增加、加快 Uce 上升速度。

实际应用中,Uge 幅值也影响饱和导通压降:Uge 增加则饱和导通电压减小。由于饱和导通电压是 IGBT 发热的主要原因之一,须尽量减小,通常 Uge 为 15~18 V;若过高易造成栅极击穿,一般取 15 V。IGBT 关断时给栅极—发射极加一定负偏压有利于提高抗干扰能力,通常取 5~10 V。

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