IGBT模塊單極驅(qū)動(dòng)的特殊注意事項(xiàng)

前言

英飛凌建議利用負(fù)柵極電壓來(lái)安全關(guān)斷和阻斷IGBT模塊。在標(biāo)稱(chēng)電流小于100 A的區(qū)域，往往出于成本原因忽略負(fù)柵極電壓。本文介紹了IGBT模塊單極驅(qū)動(dòng)的特殊注意事項(xiàng)。

0V關(guān)斷

最近幾代英飛凌IGBT芯片擁有諸多優(yōu)勢(shì)。其中一些亮點(diǎn)包括動(dòng)態(tài)范圍更寬、開(kāi)關(guān)速度更快、開(kāi)關(guān)損耗更小并且導(dǎo)通損耗更低等。

使用0V關(guān)斷時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)下面兩種我們不愿意看到的情況：

- 通過(guò)米勒電容的寄生導(dǎo)通

- 通過(guò)雜散電感的寄生導(dǎo)通

1、通過(guò)米勒電容導(dǎo)通

當(dāng)開(kāi)通半橋中的下管IGBT時(shí)，上管IGBT /二極管發(fā)生電壓變化dvCE/dt。這會(huì)引起位移電流，位移電流值為：

電流iCG流過(guò)米勒電容、柵極電阻、CGE和直流總線，對(duì)上管IGBT的寄生電容CCG充電。電容CCG和CGE構(gòu)成電容分壓器。圖1描述了流過(guò)上管IGBT的米勒電容的電流路徑。

圖1流過(guò)上管IGBT的米勒電容的電流

電流iCG在柵極電阻上產(chǎn)生電壓降。如果柵極電阻上的電壓降超過(guò)IGBT的閾值電壓，則發(fā)生寄生導(dǎo)通。

隨著芯片溫度的升高，閾值電壓每攝氏度下降數(shù)mV。高溫下更易引發(fā)寄生導(dǎo)通。

當(dāng)上管IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)，電流流過(guò)下部IGBT的米勒電容，同樣也可能導(dǎo)致下管的寄生導(dǎo)通。

2、通過(guò)雜散電感導(dǎo)通

如果關(guān)斷負(fù)載電流，發(fā)射極雜散電感上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓

開(kāi)關(guān)IGBT T1時(shí)，主電流將從續(xù)流二極管D1換向到IGBT。由于二極管電流衰減產(chǎn)生的電流變化率diC2 /dt在LσE2上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并使T2的發(fā)射極電位變?yōu)樨?fù)值。如果通過(guò)高diC /dt產(chǎn)生的感應(yīng)電壓高于IGBT的閾值電壓，那么這將導(dǎo)致T2的寄生導(dǎo)通。

圖2：發(fā)射極電感上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓

3、具有共輔助發(fā)射極的模塊中的寄生導(dǎo)通

在多個(gè)IGBT芯片并聯(lián)的模塊中，各個(gè)芯片的輔助發(fā)射極都連接到一個(gè)共用發(fā)射極，非?？焖俚拈_(kāi)關(guān)可能導(dǎo)致發(fā)射極的雜散電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

等效電路圖如圖3所示：

圖3：通過(guò)共發(fā)射極電感的寄生導(dǎo)通

模塊中的寄生電感在此編號(hào)為L(zhǎng)σ1至Lσ9。導(dǎo)通IGBT T6時(shí)，Lσ2 和Lσ3上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓會(huì)影響T2。因此，當(dāng)IGBT T2的發(fā)射極電位變化超過(guò)閾值電壓時(shí)，IGBT T2寄生導(dǎo)通。

檢驗(yàn)寄生導(dǎo)通

為了檢驗(yàn)寄生導(dǎo)通，需要在模塊的橋臂上引入電流傳感器。兩次測(cè)量可得出明確的證據(jù)。

1. 對(duì)下橋臂IGBT加雙脈沖，同時(shí)用負(fù)電壓保持上橋臂IGBT在關(guān)斷狀態(tài)。

2. 對(duì)下橋臂IGBT加雙脈沖，按應(yīng)用中默認(rèn)方式使上橋臂IGBT處在關(guān)斷狀態(tài)。

建議使用介于0.1?Icnom到2?Icnom之間的不同電流進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)兩條電流曲線差別很大時(shí)，就證明了寄生導(dǎo)通。這里要特別注意的是更高的電流峰值、更寬的反向電流峰值和額外的電流脈沖。 “解決方案建議”一章中詳細(xì)介紹了抑制誤導(dǎo)通的方法。

圖4：帶電流傳感器的橋臂

在支持螺旋端子電源連接的應(yīng)用中，通常可以使用Rogowski線圈進(jìn)行測(cè)量。不過(guò)，在大多數(shù)情況下，無(wú)法直接在橋臂上進(jìn)行測(cè)量。在較小的模塊中，負(fù)載電流通常通過(guò)焊針引入PCB。這里建議在DC總線中測(cè)量，如使用Rogowski線圈或電阻分流器。

解決方案建議

1、改變柵極電阻

通過(guò)改變柵極電阻RGon可以影響導(dǎo)通期間的電壓變化率-dvCE /dt和電流變化率diC /dt。增大柵極電阻可減小電壓和電流變化，使IGBT開(kāi)關(guān)速度更慢；改變柵極電阻對(duì)各參數(shù)的影響詳見(jiàn)文后表1。

通過(guò)減小RGoff值可避免電容寄生導(dǎo)通。不過(guò)，通過(guò)增大RGoff值能防止電感寄生導(dǎo)通。

2、分開(kāi)的柵極電阻幫助實(shí)現(xiàn)安全的導(dǎo)通和關(guān)斷特性

在許多應(yīng)用場(chǎng)合下，使用獨(dú)立的導(dǎo)通和關(guān)斷電阻時(shí)可實(shí)現(xiàn)較為安全的開(kāi)關(guān)特性。

圖5：分開(kāi)的導(dǎo)通和關(guān)斷電阻

選擇RGoff

3、外加?xùn)艠O發(fā)射極電容用于分流米勒電流

可以通過(guò)柵極和發(fā)射極之間的外加電容CG來(lái)影響開(kāi)關(guān)性能。該電容將吸收來(lái)自米勒電容的額外電荷。由于IGBT的總輸入電容為CG ||CGE，因此達(dá)到閾值電壓所需的柵極電荷增加。

圖6：柵極和發(fā)射極之間的外加電容

對(duì)于沒(méi)有內(nèi)部柵極電阻的IGBT模塊，建議在電容上串聯(lián)一個(gè)外加電阻RS，以防止振蕩。RS的推薦值為

為外加電容器推薦的電容也來(lái)自經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)計(jì)算得出

由于額外增加了電容，所需的驅(qū)動(dòng)器功率也會(huì)增加。并且IGBT顯示出更高的開(kāi)關(guān)損耗，這將取決于如何選擇RGon / off。

4、晶體管用于分流米勒電流（有源米勒鉗位）

防止意外導(dǎo)通的另一措施是短接?xùn)艠O到發(fā)射極。這可以通過(guò)柵極和發(fā)射極之間的外加晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

只要驅(qū)動(dòng)器在其輸出端輸出0V，晶體管“開(kāi)關(guān)”就會(huì)在一段時(shí)間延遲后開(kāi)啟，從而使柵極-發(fā)射極區(qū)短路。米勒電容上的電流iCG從晶體管上以可控方式分流，從而保證IGBT安全開(kāi)關(guān)。

圖7：外加晶體管用于分流米勒電流

結(jié)語(yǔ)

表1概述了上面討論的措施及其利弊。RGon用于導(dǎo)通IGBT；RGoff用于阻斷和關(guān)斷IGBT。RGon/off是用于導(dǎo)通和關(guān)斷IGBT的共用電阻。

表1：不同措施的效果

++：非常好的結(jié)果

+：有所改善

-：有所下降

o：無(wú)變化

↑：增加

↓：降低