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IGBT對驅動電路有哪些基本要求?

作者:海飛樂技術 時間:2017-04-25 09:29

  IGBT具有高可靠性、驅動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關頻率高等特點。IGBT的驅動電路作為與功率器件的直接關聯部分,其性能直接影響IGBT的功耗、安全性與可靠性等特性,在功率變換器內發揮相當重要的作用。而IGBT對于技術要求較高,國內企業還沒有從事IGBT及其驅動電路的生產。因此,致力于IGBT驅動電路及其應用電路的研究,研制出具有高性能的IGBT驅動電路,具有重要的理論意義和實際應用價值,并帶動相關產業的發展,必將產生巨大的社會效益和經濟效益。該驅動電路研制成功后,可廣泛應用于各類IGBT的驅動。
 
  IGBT對驅動電路的基本要求
  功率器件IGBT對驅動電路有一些特殊的要求,驅動電路性能的優劣是其可靠工作、正常運行的關鍵,設計合理的驅動電路應具有如下基本要求。
  1. 驅動電路為IGBT提供一定幅值的正反向柵極電壓UGE。理論上UGE≥UGE(th)時,IGBT即可開通;當UGE太大時,可能引起柵極電壓震蕩,損壞柵極。正向UGE越大,IGBT器件的UGES越小,越有利于降低器件的通態損耗,但也會使IGBT承受短路電流的時間變短,使續流二極管反向恢復電壓增大。因此正偏壓要適當,一般不允許UGE大于+20V。關斷IGBT時,必須為IGBT提供-15~-5V的反向UGE,以便盡快抽取IGBT器件內部的存儲電荷,縮短關斷時間,提供IGBT的耐壓和抗干擾能力。
  2. IGBT處于主電路地位,它的集電極直接接較高的工作電壓,而驅動電路工作電壓低,因此驅動電路應具有對地電位浮動的直流供電電源。故要求驅動電路具有隔離輸入、輸出信號的功能,同時要求在驅動電路內部信號傳輸無延時或延時很短。
  3. 在柵極回路中必須串聯合適的電阻RG,用于控制UGE的前后沿陡度,進而控制IGBT器件的開關損耗。RG增大,UGE前后沿變緩,IGBT開關過程延長,開關損耗增加;RG減小,
UGE前后沿變陡,IGBT開關損耗降低,同時集電極電流變化率增大。較小的柵極電阻使得IGBT開通時的di/dt變大,導致較高的du/dt,增加了續流二極管恢復時的浪涌電壓。因此,在設計柵極電阻時要兼顧到這兩個方面的問題。
  選擇適當的柵極串聯電阻對IGBT柵極驅動相當重要。IGBT的開通和關斷是通過柵極電路的充放電來實現的,因此柵極電阻值將對IGBT的動態特性產生極大的影響。數值較小的電阻使柵極電容的充放電速度較快,從而減小開關時間和開關損耗。所以,較小的柵極電阻增強了器件工作的耐固性,但它只能承受較小的柵極噪聲,并可能導致柵極-發射極電容和柵極驅動導線的寄生電感產生震蕩。
  當RG增大時,可抑制柵極脈沖前后沿的陡度和防止振蕩,減小開關開通時的di/dt,減小IGBT集電極的尖峰電壓;但當RG增大時,IGBT開關時間延長,開關損耗加大。
  當RG減小時,減小了IGBT開關時間,降低了開關損耗;但RG太小時,會導致IGBT柵極、發射極之間振蕩,IGBT集電極di/dt增加,引起IGBT集電極產生尖峰電壓,損壞IGBT。應根據IGBT的電流容量和電壓額定值和開關頻率選取RG值(如10Ω、15Ω、27Ω等),并在IGBT的柵極和發射極之間并聯一個RGE≈10kΩ的電阻。
  IGBT的開關要消耗來自柵極電源的功率。其功耗受柵極驅動負、正偏置電壓的差值△UGE、柵極總電荷QG和工作頻率fs的影響。電源的平均功率PAV為
PAV=△UGE×QG×fs
IGBT逆變電路、電壓、電流波形圖見圖1。

IGBT逆變電路、電壓、電流波形圖 
  4. 驅動電路應具有過電壓保護和du/dt的保護能力。通常用兩個極性相反的齊納穩壓二極管串聯組成限幅器,確保IGBT基極不被擊穿。由于IGBT的安全工作區域較寬,在一些電路中不設緩沖電路。
  5. 當發生短路或過電流故障時,理想的驅動電路還應該具備完善的短路保護能力。通常采用檢出過電流信號切斷IGBT柵極信號來進行保護。
  6. IGBT驅動電路應盡可能簡單、實用,最好自身帶有對被驅動功率IGBT的完整保護能力,并具有很強的抗干擾性能,其輸出阻抗盡可能地低,到IGBT模塊的引線應盡可能短,引線應采用絞線或同軸電纜屏蔽線。




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