IGBT作为大功率复合器件,存在过流时可能被闭锁损坏的问题。如果过流时门极电压以正常速度闭锁,过高的电流变化率会引起过电压,需要采用软关断技术,因此需要掌握IGBT的驱动和保护特性。
IGBT是一个压控装置。在它的栅极和发射极之间施加10 V以上的DC电压,只有μA的漏电流流过,基本不消耗功率。但是IGBT的栅极和发射极之间存在很大的寄生电容(几千到几万pF),需要在驱动脉冲电压的上升沿和下降沿提供几A的充放电电流来满足开关的动态要求,这就使得其驱动电路也要输出一定的峰值电流。
IGBT作为大功率复合器件,存在过流时可能被闭锁损坏的问题。如果过流时门极电压以正常速度闭锁,过高的电流变化率会引起过电压,需要采用软关断技术,因此需要掌握IGBT的驱动和保护特性。
网格特征
IGBT的栅极通过氧化膜与发射极电隔离。由于这种氧化膜很薄,其击穿电压一般只能达到20 ~ 30 V,所以栅击穿是IGBT失效的常见原因之一。在应用中,虽然有时保证栅极驱动电压不超过栅极的额定电压,但是栅极连接的寄生电感和栅极与集电极之间的容性耦合也会产生损坏氧化层的振荡电压。为此。绞合线通常用于传输驱动信号,以减少寄生电感。振荡电压也可以通过在栅极连接中串联一个小电阻来抑制。
由于IGBT的栅极-发射极和栅极-集电极之间存在分布电容Cge和Cgc,发射极驱动电路中存在分布电感Le,IGBT的实际驱动波形由于这些分布参数的影响,与理想驱动波形并不完全相同,产生了不利于IGBT开关的因素。这可以通过带续流二极管的感性负载电路来验证(见图1)。
图Fig开关的等效电路和导通波形
在时间t0,栅极驱动电压开始上升。此时影响栅压uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge,栅压快速上升。在时间t1,达到IGBT的栅极阈值,并且集电极电流开始上升。从这一点来看,导致uge波形偏离原来轨迹的原因有两个。
首先,发射极电路中分布电感Le上的感应电压随着集电极电流ic的增大而增大,从而削弱了栅极驱动电压,降低了栅极和发射极之间uge的上升速率,减缓了集电极电流的增长。
其次,影响栅极驱动电路的电压的另一个因素是栅极-集电极电容Cgc的米勒效应。在t2时,集电极电流达到值,然后栅极和集电极之间的电容Cgc开始放电,使得驱动电路中Cgc的电容电流增大,使得驱动电路中阻抗上的压降增大,栅极驱动电压减弱。显然,栅极驱动电路的阻抗越低,这种影响就越弱,并且这种影响会维持到uce下降到零的t3。它的影响也减缓了IGBT的转变过程。t3后,ic达到稳态值,影响栅压uge的因素消失后,uge以更快的上升速率达到该值。
从图1的波形可以看出,由于Le和Cgc的存在,uge的上升速度在IGBT的实际运行中已经慢了很多,这种阻碍驱动电压上升的效果表现为对集电极电流上升和导通过程的阻碍。为了减缓这种影响,IGBT模块和栅极驱动电路的Le和Cgc的内阻应尽可能小,以获得更快的导通速度。
IGBT关闭时的波形如图2所示。在时间t0时,栅极驱动电压开始下降,在时间t1时,达到刚好可以维持集电极正常工作电流的水平。当IGBT进入线性工作区时,uce开始上升。此时,栅极和集电极之间的电容器Cgc的米勒效应主导了uce的上升。由于Cgc的耦合充电效应,uge在T1到t2期间基本保持不变,uge和ic在t3时刻开始以栅极和发射极之间固有阻抗决定的速度下降。
图2 IGBT关闭时的波形
从图2可以看出,由于电容Cgc的存在,IGBT的关断过程也延长了很多。为了减少这种影响,一方面要选择Cgc更小的IGBT器件;另一方面,要降低驱动电路的内部阻抗,增加流入Cgc的充电电流,加快uce的上升速度。
在实际应用中,IGBT的uge幅值也会影响饱和开通电压降:随着uge的增大,饱和开通电压会降低。因为饱和导通电压是IGBT发热的主要原因之一,所以必须尽可能地降低它。一般uge为15 ~ 18V。如果过高,容易导致电网击穿。一般取15V。在IGBT的栅发射极关断时加一定的负偏压,有利于提高IGBT的抗干扰能力,通常为5 ~ 10 V