中心議題：
- IGBT的柵極電阻和分布參數(shù)分析
解決方案：
- 觀察波形變化來(lái)分析各個(gè)參數(shù)對(duì)電路的影響
IGBT 即絕緣門極雙極型晶體管( IsolatedGate Bipolar Transistor)，是一種新型復(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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)通的時(shí)間就越長(zhǎng)。
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(guò)程
IGBT在開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)關(guān)過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)通過(guò)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(guò)的電流存在一個(gè)尖峰，這一尖峰可通過(guò)串聯(lián)在回路中的電阻上的電壓波形觀察。
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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(guò)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(guò)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
(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(kāi)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(kāi)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(méi)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(méi)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(kāi)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(guò)大，柵極電阻很大時(shí)，又會(huì)增大開(kāi)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(kāi)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。
