igbt開關(guān)速度調(diào)節(jié)的幾條準則:
IGBT關(guān)斷損耗大、拖尾嚴重制約了其在高頻運用的發(fā)展,而造成IGBT延遲開和關(guān)的原因主要有兩方面。本文將分別針對這兩方面,提出相應的解決方法,解決器件拖尾問題,提升IGBT開關(guān)速度。
IGBT關(guān)斷損耗大、拖尾是嚴重制約高頻運用的攔路虎。這問題由兩方面構(gòu)成:
1)IGBT的主導器件—GTR的基區(qū)儲存電荷問題。
2)柵寄生電阻和柵驅(qū)動電荷,構(gòu)成了RC延遲網(wǎng)絡,造成IGBT延遲開和關(guān)。
這里,首先討論原因一的解決方法。解決電路見圖(1)。
圖1:提升IGBT開關(guān)速度技巧(一)
IGBT的GTR是利用基區(qū)N型半導體,在開通時,通過施加基極電流,使之轉(zhuǎn)成P型,將原來的PNP型阻擋區(qū)變?yōu)镻-P-P通路。為保證可靠導通,GTR是過度開通的完全飽和模式。
所謂基區(qū)儲存效應造成的拖尾,是由于GTR過度飽和,基區(qū)N過度轉(zhuǎn)換成P型。在關(guān)斷時,由于P型半導體需要復合成本征甚至N型,這一過程造成了器件的拖尾。
圖2:提升IGBT開關(guān)速度技巧(二)
該電路采用準飽和驅(qū)動方式,讓IGBT工作在準飽和模式下。IGBT預進入飽和,驅(qū)動電壓就會被DC拉低,使之退出飽和狀態(tài),反之IGBT驅(qū)動電壓上升,VCE下降,接近飽和。對于標準IGBT,這電路可以保證,IGBT的導通壓降基本維持在3.5V水平,即IGBT工作在準線性區(qū)。這樣IGBT的GTR的基極就不會被過驅(qū)動,在關(guān)斷時,幾乎沒有復合過程。這樣器件的拖尾問題就幾乎解決了!現(xiàn)在,唯一存在的問題是IGBT的通態(tài)壓降略高。
這種方式已經(jīng)在邏輯IC里盛行。現(xiàn)在的超高速邏輯電路都采用這種結(jié)構(gòu),包括電腦中的CPU!我們已享用此原理,卻并不知道。
igbt噪音太大該如何解決:
IGBT 的開關(guān)會使用相互電位改變,PCB 板的連線之間彼此不宜太近,過高的 dv/dt會由寄生電容產(chǎn)生耦合噪聲。要減少器件之間的寄生電容,避免產(chǎn)生耦合噪聲。由于 IGBT 等功率器件都存在一定的結(jié)電容,所以會造成器件導通關(guān)斷的延遲現(xiàn)象。雖然我們盡量考慮去降低該影響(提高控制極驅(qū)動電壓電流,設置結(jié)電容釋放 回路等)。但是為了防止關(guān)斷延遲效應造成上下橋臂直通,因為一個橋臂未完全關(guān)斷,而另一橋臂又處于導通狀態(tài),直通炸模塊后后果非常嚴重(最好的結(jié)果是過熱)。可以降低輸入信號的干擾,去除電路中的電磁噪聲,使得IGBT的驅(qū)動更加可靠,并且極大地降低了IGBT以及系統(tǒng)地電磁干擾等特點,以下是減少IGBT噪聲的一些設計原則:
柵極電阻:其目的是改善控制脈沖上升沿和下降沿的斜率,并且防止寄生電感與電容振蕩,限制 IGBT 集電極電壓的尖脈沖值。
柵極電阻值小——充放電較快,能減小開關(guān)時間和開關(guān)損耗,增強工作的耐固性,避免帶來因 dv/dt 的誤導通。缺點是電路中存在雜散電感在 IGBT 上產(chǎn)生大的電壓尖峰,使得柵極承受噪聲能力小,易產(chǎn)生寄生振蕩。
柵極電阻值大——充放電較慢,開關(guān)時間和開關(guān)損耗增大。一般的:開通電壓15V±10%的正柵極電壓,可產(chǎn)生完全飽和,而且開關(guān)損耗最小,當≤12V 時通態(tài)損耗加大,≥20V 時難以實現(xiàn)過流及短路保護。關(guān)斷偏壓-5到-15V 目的是出現(xiàn)噪聲仍可有效關(guān)斷,并可減小關(guān)斷損耗最佳值約為-8~10V。
柵極驅(qū)動的印刷電路板布線需要非常注意,核心問題是降低寄生電感,對防止?jié)撛诘恼袷帲瑬艠O電壓上升速率,噪音損耗的降低,降低柵極電壓的需求或減小柵極保護電路的效率有較大的影響。 因此將驅(qū)動至柵極的引線加粗,將之間的寄生電感減至最低。控制板與柵極驅(qū)動電路需要防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。
死區(qū)時間(空載時間)設置
在控制中,人為加入上下橋臂同時關(guān)斷時間,以保證驅(qū)動的安全性。死區(qū)時間大,模塊工作更加可靠,但會帶來輸出波形的失真及降低輸出效率。死區(qū)時間小,輸出波形
要好一些,只是會降低可靠性,一般為 us 級,典型數(shù)值在3us 以上。
安裝示意圖