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影響串聯IGBT分壓不均衡的因素

作者:海飛樂技術 時間:2019-06-19 14:24

  IGBT串聯應用的關鍵,是保證各IGBT集-射極兩端電壓VCE的均衡性。在IGBT工作時,有瞬態開通、導通、瞬態關斷、關斷四種工作狀態。在這些工作狀態下,導通和關斷是一種穩定狀態,可以成為穩態或靜態。在這種狀態下,IGBT兩端電壓基本不會發生變化。瞬態開通、瞬態關斷是動態工作過程,在這種工作狀態下,IGBT兩端電壓會發生很快的跳變。對于不同的工作狀態,造成IGBT兩端電壓分配不均衡的因素也會有很大的不同。對于每一個影響因素我們也要采取不同的均壓措施。因此在設計IGBT串聯均壓電路之前,研究造成IGBT串聯電路分壓不均的因素是保證電路穩定運行的關鍵。本文將影響IGBT分壓不均衡的因素分為靜態因素和動態因素。
 
  1. 影響串聯均壓靜態因素
  1.1、IGBT輸出伏安特性的差異
  IGBT在開啟時,IGBT兩端電壓大小為自身的導通壓降,IGBT伏安特性的不同導開啟階段時的導通壓降存在著很大區別。只要流過IGBT的電流大小在額定范圍內,IGBT就能夠處于安全工作狀態。當IGBT關斷時,其自身相當于一個大電阻,串聯時兩端的分壓主要由IGBT本身的阻斷電阻大小決定,即與IGBT漏電流有關。由于制造工藝技術的局限性,流過IGBT的漏電流會有一定差異。漏電流越大,阻斷電阻越小,串聯分得的電壓越小。

  1.2、溫度的差異
  IGBT正常工作時,溫度也是影響其特性的一個主要因素。在IGBT關斷時,IGBT的漏電流會隨著溫度的升高而變大,從而導致IGBT關斷電阻減小。在IGBT串聯工作時,每個IGBT的溫度都會有所不同,這樣就會導致靜態分壓嚴重不均衡。結溫較低的IGBT靜態分壓會增大,如果溫度差異過大可能會損壞IGBT。
 
  2. 影響串聯均壓動態因素
  引起IGBT串聯不均壓的原因主要有兩個方面:一是IGBT自身參數不一致,IGBT極間電容大小的不同導致開關不同步,先導通的IGBT承受較大電壓,容易燒毀;二是外圍電路設計不一致,柵極驅動電路的電阻大小及驅動信號時間不同步會影響開關速度和開關順序,導致分壓不均。并聯在IGBT兩端吸收電容參數的不一致也會引起分壓不均。

  圖1為IGBT內部結構示意圖,由于IGBT制造工藝的差異,會造成內部寄生電容CGC、CGE、CCE大小不同,這會使IGBT的開啟、關斷速度也會有差異。IGBT關斷時間里包含著關斷拖尾電流的時間,如果因為自身參數的原因造成電流拖尾時間不同,那么串聯使用時就會導致每個IGBT關斷時間不一致,先關斷的IGBT承受較大的電壓。

IGBT內部結構示意圖 
圖1 IGBT內部結構示意圖
 
  IGBT的開通、關斷速度受外圍驅動電路中柵極電阻Rg的影響。在串聯電路工作時,如果其中一個驅動電路的電阻Rg較小,那么流過相應IGBT的電流會大于其它IGBT所在支路的電流。柵極驅動信號幅值同時由負變為正或由正變為負時,柵極電阻Rg小的IGBT就會率先開啟或關斷,導致電壓分配不均衡。由于該IGBT的集射極兩端承受了較大的過電壓,很容易產生浪涌電壓,擊穿開關器件。

  驅動電路輸出柵極驅動信號的不同步也會導致IGBT在開啟和關斷時的瞬態電壓分布不均衡。驅動電路的控制信號需要經過一系列電子元件、導線及柵極電阻的傳輸,最終到達IGBT的柵極。這個過程中會使每個柵極驅動信號之間有一定的時差,使串聯IGBT在不同的時間節點開啟、關斷。先開啟或者先關斷的IGBT就會承擔較大的過電壓。




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