分析影響IGBT驅(qū)動(dòng)電路性能參數(shù)的因素

  0 引言

　　IGBT 即絕緣門極雙極型晶體管( IsolatedGate Bipolar Transistor)， 這是八十年代末九十年代初迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合器件。由于它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身， 具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好、電壓驅(qū)動(dòng)(MOSFET的優(yōu)點(diǎn))， 同時(shí)通態(tài)壓降較低， 可以向高電壓、大電流方向發(fā)展(GTR的優(yōu)點(diǎn))。因此， IGBT發(fā)展很快， 特別是在開關(guān)頻率大于1kHz， 功率大于5kW的應(yīng)用場(chǎng)合具有很大優(yōu)勢(shì)。在全橋逆變電路中， IGBT是核心器件， 它可在高壓下導(dǎo)通， 并在大電流下關(guān)斷， 故在硬開關(guān)橋式電路中， 功率器件IGBT能否正確可靠地使用起著至關(guān)重要的作用。驅(qū)動(dòng)電路就是將控制電路輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大， 以滿足驅(qū)動(dòng)IGBT的要求， 所以， 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的是否合理直接關(guān)系到IGBT的安全、可靠使用。為了確保驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的合理性， 使用時(shí)必須分析驅(qū)動(dòng)電路中的參數(shù)。

　　1 柵極電阻和分布參數(shù)分析

　　IGBT在全橋電路工作時(shí)的模型如圖1所示。

　　RG+Rg是IGBT的柵極電阻， L01、L02、L03是雜散電感(分布電感)， Cgc、Cge、Cce是IGBT的極間電容， U1是驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)， U2為母線電壓。

圖1 IGBT的全橋模型

　　1.1 IGBT的導(dǎo)通初態(tài)

　　二極管D1導(dǎo)通時(shí)， 若Uge為所加的反向電壓值(可記為-Ug2， 正向電壓記為+Ug1)， 集電極電流iC=0， Uce=U2。開通后， U1向Cgc、Cge充電， 此時(shí)Uge可寫成：

　　其中時(shí)間常數(shù)τi= (Rg+RG) (Cge+Cgc)， 只有Uge上升至門檻電壓Uge (th)后， IGBT才會(huì)導(dǎo)通。從上述公式可以看出， Uge的上升速度是和時(shí)間常數(shù)成反比的， 即柵極電阻和輸入電容越大， 上升速度越慢， IGBT開通的時(shí)間就越長(zhǎng)。[!--empirenews.page--]

　　1.2 IGBT的關(guān)斷初態(tài)

　　若Q1處于全導(dǎo)通狀態(tài)， 二極管D1處于截止?fàn)顟B(tài)， 二極管中的電流為0， Uce為IGBT管壓降，Uge=Ug1， 輸入電壓由Ug1變?yōu)?Ug2， Cge和Cgc被反向充電， uge下降， 此時(shí)uge可表示為：

　　其中τi＝ (Rg+RG) (Cge+Cgc)

　　上式表明， τi越大， 關(guān)斷延遲時(shí)間越長(zhǎng)。

　　1.3 導(dǎo)通至關(guān)斷的過程

　　IGBT在開關(guān)過程中， 可能會(huì)有電壓或電流的突變， 這將引起器件上電壓或電流尖峰的產(chǎn)生以及高頻諧波振鈴。這一現(xiàn)象有兩個(gè)不利點(diǎn)： 一是會(huì)產(chǎn)生電磁干擾， 二是會(huì)增加器件的應(yīng)力。通常采取的應(yīng)對(duì)措施是用緩沖吸收回路來(lái)抑制開關(guān)過程的突變。下面會(huì)分析一下電路中產(chǎn)生電壓或電流尖峰的原因。

　　首先是導(dǎo)通至關(guān)斷過程中的雜散電感極性會(huì)發(fā)生變化， IGBT極間電容在IGBT關(guān)斷時(shí)， 也會(huì)反向放電。

　　其次， 二極管D1導(dǎo)通時(shí)， 相應(yīng)的D1中的電流iD1會(huì)上升。為了維持原先的電流， 儲(chǔ)存在L02中的磁能將釋放出來(lái)， L02的端電壓反向， 該電壓將使IGBT產(chǎn)生關(guān)斷過電壓， 即在CE兩端產(chǎn)生電壓尖峰。如果雜散電感L02足夠小， CE端電壓的尖峰只等于IGBT的管壓降(2V左右)。但由于CE端產(chǎn)生了電壓尖峰， 故使集電極電流iC有了一個(gè)負(fù)向的尖峰。

　　另外， 開通過程中， 由于二極管D1的反向恢復(fù)電流IRM將疊加在集電極電流iC上， 這也會(huì)使IGBT實(shí)際流過的電流存在一個(gè)尖峰， 這一尖峰可通過串聯(lián)在回路中的電阻上的電壓波形觀察。

　　2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

　　圖2所示為本實(shí)驗(yàn)的電路連接圖， 其中R1取5Ω～20Ω； C1 取10000pF ～40000pF； R2 取20Ω～50Ω； C2是電解電容， 取值為1000μF～3000μF；C3是薄膜電容， 取值1.5μF； U是直流電壓源， 電壓為10V～100V。實(shí)驗(yàn)時(shí)， 可通過改變R1、R2、C1、C2和U的大小來(lái)觀察各部分波形的變化， 以分析各個(gè)參數(shù)對(duì)整個(gè)電路的影響。其實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)試的波形如圖3所示。通過觀察和分析實(shí)驗(yàn)波形的變化， 可以得出以下結(jié)論：

圖2 實(shí)驗(yàn)電路連接圖

(a) GE端電壓波形[!--empirenews.page--]

(b) CE端電壓波形

(c) 電源端夾雜交流電壓波形

(d) 集電極電流波形

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形圖

　　在輸入端增大串聯(lián)電阻R1的阻值， 會(huì)使輸入驅(qū)動(dòng)波形的上升沿與下降沿(GE端電壓) 的銳度減緩， 其影響是使IGBT的開通與關(guān)斷的時(shí)間延長(zhǎng)， 同時(shí)輸出端(CE) 的上升沿與下降沿的銳度也同樣減緩， 并可減小輸出端CE兩端電壓的尖峰， 另外， 帶給電源的高頻諧波的峰值也在減小。但是， 這樣會(huì)使IGBT的開關(guān)損耗增大。

　　GE端并聯(lián)電容C1同樣會(huì)使輸入驅(qū)動(dòng)波形的上升沿和下降沿銳度減緩， 這對(duì)輸出端CE間電壓上升延遲和下降延遲有減緩作用， 但該作用沒有增加R1阻值的效果明顯。

　　當(dāng)R2減小， 即負(fù)載增大時(shí)， 隨之增大的還有CE間電壓尖峰和CE間電壓波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間， 以及電源端電壓中交流成分的幅值。

　　直流電源兩端并聯(lián)的電解電容C2可以有效抑制電源兩端的低頻諧波， 諧波的頻率在20kHz左右(與驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率相同)， 在直流電源兩端并聯(lián)薄膜電容C3對(duì)高頻諧波(幾兆赫芝) 的抑制很有效。但是， 當(dāng)兩個(gè)電容同時(shí)作用時(shí)， 高頻諧波依然會(huì)被引入， 這并沒有達(dá)到我們預(yù)期的效果；對(duì)比直流電源電壓在10V～100V時(shí)各種情況下的電壓上升沿與下降沿時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)： 上升時(shí)間與下降時(shí)間不會(huì)隨著直流電源電壓的增大而變化。也就是說(shuō)： 在實(shí)際的全橋電路中， 這些參數(shù)不會(huì)跟隨母線的變化而變化。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　在實(shí)際電路中， 柵極電阻的選擇要考慮開關(guān)速度的要求和損耗的大小。柵極電阻也不是越小越好， 當(dāng)柵極電阻很小時(shí)， IGBT的CE間電壓尖峰過大， 柵極電阻很大時(shí)， 又會(huì)增大開關(guān)損耗。

　　所以， 選擇時(shí)要在CE間尖峰電壓能夠承受的范圍內(nèi)適當(dāng)減小柵極電阻。

　　由于電路中的雜散電感會(huì)引起開關(guān)狀態(tài)下電壓和電流的尖峰和振鈴， 所以， 在實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路中， 連線要盡量短， 并且驅(qū)動(dòng)電路和吸收電路應(yīng)布置在同一個(gè)PCB板上， 同時(shí)在靠近IGBT的GE間加雙向穩(wěn)壓管， 以箝位引起的耦合到柵極的電壓尖峰。