中心議題:
- dV/dt感生開通現(xiàn)象的理解
- 單正向柵驅(qū)動IGBT簡化驅(qū)動電路
目前,為了防止高dV/dt應(yīng)用于橋式電路中的IGBT時產(chǎn)生瞬時集電極電流,設(shè)計人員一般會設(shè)計柵特性是需要負(fù)偏置柵驅(qū)動的IGBT。然而提供負(fù)偏置增加了電路的復(fù)雜性,也很難使用高壓集成電路(HVIC)柵驅(qū)動器,因為這些IC是專為接地操作而設(shè)計──與控制電路相同。因此,研發(fā)有高dV/dt能力的IGBT以用于“單正向”柵驅(qū)動器便最為理想了。這樣的器件已經(jīng)開發(fā)出來了。器件與負(fù)偏置柵驅(qū)動IGBT進(jìn)行性能表現(xiàn)的比較測試,在高dV/dt條件下得出優(yōu)越的測試結(jié)果。
為了理解dV/dt感生開通現(xiàn)象,我們必須考慮跟IGBT結(jié)構(gòu)有關(guān)的電容。圖1顯示了三個主要的IGBT寄生電容。集電極到發(fā)射極電容C,集電極到柵極電容C和柵極到發(fā)射極電容CGE。
圖1 IGBT器件的寄生電容
這些電容對橋式變換器設(shè)計是非常重要的,大部份的IGBT數(shù)據(jù)表中都給出這些參數(shù):
- 輸出電容,COES=CCE+CGC(CGE短路)
- 輸入電容,CIES=CGC+CGE(CCE短路)
- 反向傳輸電容,CRES=CGC
圖2 半橋電路
圖2給出了用于多數(shù)變換器設(shè)計中的典型半橋電路。集電極到柵極電容C和柵極到發(fā)射極電容C組成了動態(tài)分壓器。當(dāng)高端IGBT(Q2)開通時,低端IGBT(Q1)的發(fā)射極上的dV/dt會在其柵極上產(chǎn)生正電壓脈沖。對于任何IGBT,脈沖的幅值與柵驅(qū)動電路阻抗和dV/dt的實際數(shù)值有直接關(guān)系。IGBT本身的設(shè)計對減小C和C的比例非常重要,它可因此減小dV/dt感生電壓幅值。
如果dV/dt感生電壓峰值超過IGBT的閥值,Q1產(chǎn)生集電極電流并產(chǎn)生很大的損耗,因為此時集電極到發(fā)射極的電壓很高。
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為了減小dV/dt感生電流和防止器件開通,可采取以下措施:
- 關(guān)斷時采用柵極負(fù)偏置,可防止電壓峰值超過V,但問題是驅(qū)動電路會更復(fù)雜。
- 減小IGBT的CGC寄生電容和多晶硅電阻Rg’。
- 減小本征JFET的影響
圖3給出了為反向偏置關(guān)斷而設(shè)計的典型IGBT電容曲線。CRES曲線(及其他曲線)表明一個特性,電容一直保持在較高水平,直到V接近15V,然后才下降到較低值。如果減小或消除這種“高原”(plateau) 特性,C的實際值就可以進(jìn)一步減小。
這種現(xiàn)象是由IGBT內(nèi)部的本征JFET引起的。如果JFET的影響可以最小化,C和C可隨著VCE的提高而很快下降。這可能減小實際的CRES,即減小dV/dt感生開通對IGBT的影響。
圖3 需負(fù)偏置關(guān)斷的典型IGBT的寄生電容與V的關(guān)系。
IRGP30B120KD-E是一個備較小C和經(jīng)改良JFET的典型IGBT。這是一個1200V,30A NPT IGBT。它是一個Co-Pack器件,與一個反并聯(lián)超快軟恢復(fù)二極管共同配置于TO-247封裝。
設(shè)計人員可減小多晶體柵極寬度,降低本征JFET的影響,和使用元胞設(shè)計幾何圖形,從而達(dá)到以上的目標(biāo)。
對兩種1200V NPT IGBT進(jìn)行比較:一種是其他公司的需負(fù)偏置關(guān)斷的器件,一種是IR公司的NPT單正向柵驅(qū)動IRGP30B120KD-E。測試結(jié)果表明其他公司的器件在源電阻為56?下驅(qū)動時,dV/dt感生電流很大。
比較寄生電容的數(shù)據(jù),IR器件的三種電容也有減小:
輸入電容,CIES減小25%
輸出電容,COES減小35%
反向傳輸電容,CRES減小68%
圖4 寄生電容比較
圖5顯示出IR器件的減小電容與V的關(guān)系,得出的平滑曲線是由于減小了JFET的影響。當(dāng)V=0V時,負(fù)偏置柵驅(qū)動器件的C為1100pF,IRGP30B120KD-E只有350pF,當(dāng)VCE=30V時,負(fù)偏置柵驅(qū)動器件的C為170pF,IRGP30B120KD-E的CRES為78pF。很明顯,IRGP30B120KD-E具有非常低的C,因此在相同的dV/dt條件下dV/dt感生電流將非常小。
圖5 IRGP30B120KD-E寄生電容與VCE的關(guān)系[page]
圖6的電路用來比較測試兩種器件的電路性能。兩者的dV/dt感生電流波形也在相同的dV/dt值下得出。
圖6 dV/dt感生開通電流的測試電路
測試條件:
電壓率,dV/dt=3.0V/nsec;直流電壓,Vbus=600V;外部柵到發(fā)射極電阻Rg=56?;環(huán)境溫度,TA=125°C
圖7 其他公司的IGBT的低端IGBT開關(guān)電壓和dV/dt感生電流的18A峰值
圖8 IRGP30B120KD-E IGBT的低端IGBT開關(guān)電壓和dV/dt感生電流的1.9A峰值[page]
dV/dt感生電流的減小清楚說明單正向柵驅(qū)動設(shè)計的優(yōu)勝之處。但在這個測試中,Co-Pack二極管電流的影響并沒有完全計算在內(nèi)。為了只顯示出IGBT對整體電流的影響,我們只利用相同的分立式反并聯(lián)二極管再重復(fù)測試,如圖9中的Ice(cntrl)。
圖9 利用相同的分立式Co-Pack二極管產(chǎn)生的dV/dt感生電流
圖10顯示出在沒有IGBT情況下,負(fù)偏置柵驅(qū)動器IGBT的I電流。圖11為IRGP30B120KD-E單正向柵驅(qū)動器的I電流。兩種情況下的電流都很低,分別為1A和0.8A。
圖10 其他公司的IGBT的Co-Pack二極管內(nèi)的低端IGBT的VCE和dV/dt感生電流1A峰值
圖11 IRG30B120KD-E的Co-Pack二極管內(nèi)的低端IGBT的VCE和dV/dt感生電流0.8A峰值[page]
如果從整體IGBT/二極管電流中減去圖10和圖11的二極管電流,結(jié)果是:
I(負(fù)偏置柵驅(qū)動IGBT)= 18-1 = 17A
I(IRGP30B120KD-E)= 1.9-0.8 = 0.8A
可見總的減小為17:0.8 = 21:1
在相同的測試條件下,當(dāng)柵電壓是在0V或單正向柵驅(qū)動情況下,IRGP30B120KD的電路性能顯示dV/dt感生開通電流減小比例為21:1。如果IGBT采用這種方式驅(qū)動,電流很小,對功耗的影響幾乎可以忽略。
圖12 柵驅(qū)動波形
采用單正向柵驅(qū)動IGBT有下列好處:
- 不需要負(fù)偏置
- 驅(qū)動器電路成本更低
- 更高的柵抗噪聲功能
- 更高的dV/dt耐容
- 與不能提供負(fù)偏置驅(qū)動的IR單片式柵驅(qū)動器兼容
圖13 具有電平轉(zhuǎn)換的柵驅(qū)動IC電路
上述設(shè)計對PT和NPT IGBT同樣有效。
結(jié)論:
單正向柵驅(qū)動IGBT是器件發(fā)展的巨大進(jìn)步。IRGP30B120KD-E的C值很低,在單正向柵驅(qū)動條件下,其開關(guān)性能非常理想。器件不需要負(fù)偏置柵驅(qū)動便能可靠關(guān)斷,即使在集電極的dV/dt為3V/ns。與單片式柵驅(qū)動器的兼容性更為橋式變換器和交流電機(jī)驅(qū)動提供更優(yōu)越和成本更低的解決方案。所以我們期望這些先進(jìn)的IGBT能為新的IC設(shè)計提供更大的優(yōu)勢。