我这里只结合实际应用情况对一些问题谈谈我的理解,不对之处请指教.
IGBT器件如何开通和关闭,速度是快是慢,其实到如今为止,并没有一个明确结论,最终取决实际应用环境.
一． 先说开通.谁都知道,理论上开通速度越快,越早进入饱和去,开关损耗越小.收到实际条件所限,开通速度不能做的太快.
1. 栅极杂散电感影响
此电感普遍存在,特别是使用磁耦合的驱动电路尤其明显.它与栅极电容产生谐振,增加Rg,可以缓解此现象.无论是Lgs,还是Rg,都会影响开通速度,增加开关损耗.图1.
2. 实际电路影响
使用合理电路,降低Lgs影响,将Rg选择的很小,是否就解决了问题了呢?还没有,如图2,应用于双管正激的拓扑.
由于变压器漏感Lts、磁复位引线电感Lds的存在,过高的di/dt,将造成过高的Vce(与Cce产生振荡).这些电感是很难预测的,为了提高性能,从布线上都是不断降低它们.能量的降低使得Vce收到限制.如果不能完全解决此问题,需要增加吸收.如图3吸收的一种.额外增加的电路需要靠近IGBT根部,否则有害无用.吸收的增加增加了损耗,它是否可以抵消由于开通速度的加快造成的影响,需要实际验证.
(单)双管正激是硬开关拓扑中,开通速度最快的一种,对应其它拓扑,比如桥式,情况更加糟糕.对于软开关,尤其是电压软开关,增加开通速度是很好的选择.
二． 再说关闭.关闭速度快慢对IGBT关闭损耗影响不大.
有人说,快速关闭使dv/dt高,会毁坏IGBT.那看什么条件,只有很高dv/dt ,IGBT开关速度跟不上时成立.小了只是负反馈作用,增加驱动上流过的电流而已.由于IGBT、母线上往往有吸收,速度受限.不易产生高dv/dt.真有这么高的dv/dt时,只要驱动电路输出阻抗足够低,并不会毁坏栅极.
再有,笔者十几年从没有见过由于dv/dt过高造成IGBT失效现象,此种只在理论上成立的假设不要再考虑了.
真实原因是:由于IGBT是少子器件,他不能通过关闭门极来达到快速关闭IGBT目的.因此快速关闭对它无用.
三． 说一说驱动负偏压
只要控制制好母线电压瞬态过冲,IGBT负偏压不是必须.选择合理的功率拓扑,比如零流谐振变换器,可以最大限度降低对母线影响.
与MOSFET一样,负偏压可以防止母线过高dv/dt造成门极误导通.笔者说过本人十几年从没有见过由于dv/dt过高造成IGBT失效,主要是指对门极影响.
门极驱动往往是低阻抗负载,尤其是有源驱动器,阻抗很低,抗干扰能力很强.负偏压选择-5V足以,当然选择-15V未尝不可.更高负偏压会增加驱动损耗.
四． 再论过流保护
1. 高频变换(不直接接负载)
在设计电路过程中,在IGBT选择上,几乎都会在电流上留有余量,而保护点也往往低于IGBT的额定值.所谓3段式保护只在大于2倍额定电流作用较好.在2倍额定电流保护内最好是直接关闭.不仅反映速度快,而且可以逐个脉冲限流.真要是用它的保护,不仅延时时间长,而且由于关闭损耗大,连续工作要不了多久不坏才怪.
市面上几乎所有的IGBT驱动器都大肆宣扬所谓3段式保护,可惜在实际应用中,除非你是作为负载开关使用,此功能基本无用.即便是作为负载开关,如果没有一定条件限制,保护功能也形同虚设.
因此,除非你设计有缺陷,否则,3段式保护无用.
2. 负载开关
IGBT作为负载开关使用时,过流保护复杂得多.IGBT输出电流取决于门极驱动电压.3段式保护只在大于2倍额定电流作用较好.门极驱动电压太高时,使得短路电流过大,由于存在闩锁现象,栅极关闭不起作用.因此驱动电压不要太高,不要过度追求导通压降.使得3段式过流保护不起作用.一般闩锁现象在输出电流大于5倍额定电流时有可能出现,因此如果想可靠使用3段式过流保护,电流保护点最好小于此点.
但确定栅极电压与短路电流的关系几乎是不可能的.作为负载开关,限制电流上升率是一个非常好的措施,它同时限制了短路时间.使短路保护可以有多种选择,除了3段式保护(本质上是缓关闭),直接快速关闭也可行.
在电流小于2倍额定电流时,采用直接快速关闭的方法更有效.假设400V,100A负载开关,选择300A的IGBT作为负载开关,1uH电感作为电流上升率限制.则:
di/dt=400A/us.
设100A为保护点,电流小于2倍额定电流,则:
允许关闭最大延时(2*300-100)/400=1.25us.此条件不难满足.
即:为满足快速关断条件,IGBT容量选择要足够大,这样换来更大的保护延时,更小的短路抑制电感.换句话说,如果将保护延时设计的很小,也可以降低短路抑制电感,降低IGBT容量.从而提高可靠性.还是上例,如果保护延时达到200ns则:
实际电流关闭点:100+400*0.2=180A.如果不考虑导通损耗,采用100A的IGBT也可以满足使用要求.
直接快速关闭没有大量应用的原因主要是因为驱动器的反应速度不够快.兼顾反应速度和驱动能力的驱动器市场上极少.JD10系列可以在100ns内关闭300A的IGBT,而关闭脚反映时间只有50ns,即便是在隔离驱动的前级关闭,也只有100ns延时,是市场仅见.
附件:JD10系列MOS、IGBT驱动器主要性能:
单管大功率MOS或IGBT模块驱动器.
驱动延时极快:典型开启延时≤200ns,关闭延时≤100ns.
具有最高可达20A的瞬态驱动能力
上升下降沿高达50ns
工作占空比0-100%.
对输入信号功率无要求.
内置缓冲结构,对驱动上升沿没有要求.
静态耗电低.
输出供电电源与信号电源独立.
具有关断脚,可以在50ns内快速关断.
详细资料请咨询:北京佳合元仪电源设备有限公司,58604525,李,leson_lee@sina.com
详细:
6431252287249.doc
