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(多图) “单正向”栅驱动IGBT简化驱动电路

2010年06月11日 ?? 收藏0

  目前,为了防止高dV/dt应用于桥式电路中的IGBT时产生瞬时集电极电流,设计人员一般会设计栅特性是需要负偏置栅驱动的IGBT。然而提供负偏置增加了电路的复杂性,也很难使用高压集成电路(HVIC)栅驱动器,因为这些IC是专为接地操作而设计──与控制电路相同。因此,研发有高dV/dt能力的IGBT以用于“单正向”栅驱动器便最为理想了。这样的器件已经开发出来了。器件与负偏置栅驱动IGBT进行性能表现的比较测试,在高dV/dt条件下得出优越的测试结果。   

  为了理解dV/dt感生开通现象,我们必须考虑跟IGBT结构有关的电容。图1显示了三个主要的IGBT寄生电容。集电极到发射极电容C,集电极到栅极电容C和栅极到发射极电容CGE。

IGBT器件的寄生电容

图1 IGBT器件的寄生电容

  这些电容对桥式变换器设计是非常重要的,大部份的IGBT数据表中都给出这些参数:

  •   输出电容,COES=CCE+CGC(CGE短路)
  •   输入电容,CIES=CGC+CGE(CCE短路)
  •   反向传输电容,CRES=CGC

  图2给出了用于多数变换器设计中的典型半桥电路。集电极到栅极电容C和栅极到发射极电容C组成了动态分压器。当高端IGBT(Q2)开通时,低端IGBT(Q1)的发射极上的dV/dt会在其栅极上产生正电压脉冲。对于任何IGBT,脉冲的幅值与栅驱动电路阻抗和dV/dt的实际数值有直接关系。IGBT本身的设计对减小C和C的比例非常重要,它可因此减小dV/dt感生电压幅值。

半桥电路

图2 半桥电路

  如果dV/dt感生电压峰值超过IGBT的阀值,Q1产生集电极电流并产生很大的损耗,因为此时集电极到发射极的电压很高。

  为了减小dV/dt感生电流和防止器件开通,可采取以下措施:

  •   关断时采用栅极负偏置,可防止电压峰值超过V,但问题是驱动电路会更复杂。
  •   减小IGBT的CGC寄生电容和多晶硅电阻Rg’。
  •   减小本征JFET的影响

  图3给出了为反向偏置关断而设计的典型IGBT电容曲线。CRES曲线(及其他曲线)表明一个特性,电容一直保持在较高水平,直到V接近15V,然后才下降到较低值。如果减小或消除这种“高原”(plateau) 特性,C的实际值就可以进一步减小。

  这种现象是由IGBT内部的本征JFET引起的。如果JFET的影响可以最小化,C和C可随着VCE的提高而很快下降。这可能减小实际的CRES,即减小dV/dt感生开通对IGBT的影响。

负偏置关断的典型IGBT的寄生电容与V的关系

图3 需负偏置关断的典型IGBT的寄生电容与V的关系。

  IRGP30B120KD-E是一个备较小C和经改良JFET的典型IGBT。这是一个1200V,30A NPT IGBT。它是一个Co-Pack器件,与一个反并联超快软恢复二极管共同配置于TO-247封装。

  设计人员可减小多晶体栅极宽度,降低本征JFET的影响,和使用元胞设计几何图形,从而达到以上的目标。

  对两种1200V NPT IGBT进行比较:一种是其他公司的需负偏置关断的器件,一种是IR公司的NPT单正向栅驱动IRGP30B120KD-E。测试结果表明其他公司的器件在源电阻为56?下驱动时,dV/dt感生电流很大。

  比较寄生电容的数据,IR器件的三种电容也有减小:

  •   输入电容,CIES减小25%
  •   输出电容,COES减小35%
  •   反向传输电容,CRES减小68%

寄生电容比较

图4 寄生电容比较

  图5显示出IR器件的减小电容与V的关系,得出的平滑曲线是由于减小了JFET的影响。当V=0V时,负偏置栅驱动器件的C为1100pF,IRGP30B120KD-E只有350pF,当VCE=30V时,负偏置栅驱动器件的C为170pF,IRGP30B120KD-E的CRES为78pF。很明显,IRGP30B120KD-E具有非常低的C,因此在相同的dV/dt条件下dV/dt感生电流将非常小。

IRGP30B120KD-E寄生电容与VCE的关系

图5 IRGP30B120KD-E寄生电容与VCE的关系

  图6的电路用来比较测试两种器件的电路性能。两者的dV/dt感生电流波形也在相同的dV/dt值下得出。

dV/dt感生开通电流的测试电路

图6 dV/dt感生开通电流的测试电路

  测试条件:

  •   电压率,dV/dt=3.0V/nsec
  •   直流电压,Vbus=600V
  •   外部栅到发射极电阻Rg=56?
  •   环境温度,TA=125°C

其他公司的IGBT的低端IGBT开关电压和dV/dt感生电流的18A峰值

图7 其他公司的IGBT的低端IGBT开关电压和dV/dt感生电流的18A峰值

IRGP30B120KD-E IGBT的低端IGBT开关电压和dV/dt感生电流的1.9A峰值

图8 IRGP30B120KD-E IGBT的低端IGBT开关电压和dV/dt感生电流的1.9A峰值


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IGBT? 驱动电路? 变换器? 分压器?

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