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IGBT串聯柵極驅動端均壓電路工作原理

作者:海飛樂技術 時間:2019-06-21 18:36

  綜合上篇文章的靜態、動態過程不均壓因素的分析,對串聯IGBT均壓電路的設計有如下幾個要求:
  1、為了減小不同IGBT的自身參數存在的差異,實際電路設計中盡量選取同一型號的IGBT,最好為同一廠家、同一批次生產出來的,以保證IGBT內部參數的一致性。
  2、由于驅動電路中柵極電阻Rg的取值會影響IGBT的開通和關斷速度,因此,串聯電路中的驅動電路參數應該保持一致。
  3、用同一信號控制串聯電路中的驅動電路信號,保證驅動信號脈沖的上升時間和下降時間的一致性。
  4、驅動電路布局要盡可能完全相同,這樣就可以減小由于極間電容不同引起的IGBT開通與關斷時間上的差異。
  均壓電路設計指標:在高壓條件下,IGBT全部關斷時,每個IGBT兩端電壓相同,最大誤差不超過5%,其中最大誤差為IGBT兩端實際電壓與平均電壓的最大差值除以平均電壓;IGBT導通時的脈沖下降沿時間和關斷時脈沖上升沿時間均小于1μs,每個IGBT之間的開關延遲時間小于300ns。
  本文串聯均壓實驗采用柵極驅動端均壓電路改善動態均壓。電路原理圖如圖1所示。圖2為柵極驅動端均壓電路局部電路圖。

IGBT串聯均壓電路圖 
圖1 IGBT串聯均壓電路圖
柵極驅動端均壓電路局部電路圖 
圖2 柵極驅動端均壓電路局部電路圖
 
  根據圖2可以看出,均壓電路由兩個電阻、兩個電容、一個二極管、一個柵極電阻組成。其中R11是靜態均壓電阻,當IGBT關斷時兩端分得的電壓主要由R11電阻決定,一般取IGBT關斷電阻的1/10。R21為動態均壓電阻,C21通過R21放電,電阻值不應過大,并遠小于R11,取R11的1/100。C11電容是動態均壓電容,當IGBT開通和關斷瞬間兩端電壓值突變時,C11應阻止電壓瞬變,C11應遠大于C21。為了有足夠的能量均壓,C11取IGBT門極電容Cies的100倍,C21的值等于Cies。
 
  以兩個IGBT組成的串聯電路為例,柵極驅動端均壓電路的具體工作原理如下:
  1、IGBT開通過程:IGBT1、IGBT2同時開通過程中,驅動電路輸出信號由負電壓變化為正電壓,IGBT兩端電壓由VCC/2逐漸減小為零的過程中,由于C11兩端電壓值不可以瞬間發生很大改變,C11開始對C21反方向充電,C11電壓為上正下負,C12電壓上負下正。二極管D截止,兩個電容通過靜態分壓電阻R11、R21放電。
  2、IGBT靜態導通:假設兩個串聯開關IGBT1、IGBT2均處于導通狀態,驅動電路輸出為高電平,兩個IGBT兩端電壓均為零。
  3、IGBT關斷過程:IGBT1、IGBT2開始關斷,驅動電路輸出信號由正逐漸變為負,流過IGBT集射極電流逐漸減小最后變為零,兩端承受電壓不斷升高,由于C11電容值很大,其兩端電壓不會突變,因此C21兩端電壓由上負下正變為零電壓。因此IGBT兩端承受的電壓為電容C11的電壓值,即VIGBT1=VIGBT2=VC11+VC21=VC11=VCC/2。
  4、IGBT靜態關斷:當IGBT1、IGBT2處于關斷狀態時,驅動電路輸出信號為負,IGBT兩端電壓主要有靜態分壓電阻R11、R21決定,VIGBT1=VIGBT2=Vcc/2。
  5、IGBT驅動延時:如果兩個驅動電路的柵極信號產生了時間差,IGBT1優先導通,后導通的IGBT2兩端電壓上升速率就會增快。由于C12的電容值遠大于C22的電容值,C12相當于一個電流源,在IGBT2兩端承受的電壓突然變高的情況下,C22就會被C12充電,C21電壓極性變為上正下負,C21增大的電壓會加在IGBT2的柵極,增大柵極驅動電壓,這就會加快IGBT2的導通。當IGBT1優先于IGBT2關斷,IGBT1兩端電壓上升速率變大,均壓電路調控過程同上,IGBT1柵極驅動電壓會變大,減緩其關斷速度。
 
  綜上所述,柵極驅動端均壓電路靜態均壓過程為:每個IGBT兩端分到的電壓的關鍵是并聯電阻R11的大小選擇,當每個電阻R11設定相同的大小時,每個IGBT兩端電壓值就會維持平均分配的穩定狀態,從而達到靜態均壓的目的;動態均壓過程為:電容C11兩端的電壓不可以瞬間發生很大的改變,關斷過程中,先關斷IGBT的電流會轉移到和它并聯的電容C21上,緩慢增加柵極電壓,減緩關斷速度;開通過程中,先開通的電壓轉移至后開通的IGBT柵極上,加速其開通速度。




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