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变频器基本常识

涨知识 | 如何使用单极性电压驱动IGBT




英飞凌建议利用负栅极电压来安全关断和阻断IGBT模块。在标称电流小于100 A的区域,往往出于成本原因忽略负栅极电压。本文介绍了IGBT模块单极驱动的特殊注意事项。


 


0V关断



最近几代英飞凌IGBT芯片拥有诸多优势。其中一些亮点包括动态范围更宽、开关速度更快、开关损耗更小并且导通损耗更低等。



使用0V关断时,可能会出现下面两种我们不愿意看到的情况:


 -       通过米勒电容的寄生导通


 -       通过杂散电感的寄生导通


 


1、通过米勒电容导通


当开通半桥中的下管IGBT时,上管IGBT /二极管发生电压变化dvCE/dt。这会引起位移电流,位移电流值为:



电流iCG流过米勒电容、栅极电阻、CGE和直流总线,对上管IGBT的寄生电容CCG充电。电容CCG和CGE构成电容分压器。图1描述了流过上管IGBT的米勒电容的电流路径。



图1 流过上管IGBT的米勒电容的电流



电流iCG在栅极电阻上产生电压降。如果栅极电阻上的电压降超过IGBT的阈值电压,则发生寄生导通。



随着芯片温度的升高,阈值电压每摄氏度下降数mV。高温下更易引发寄生导通。



当上管IGBT开关时,电流流过下部IGBT的米勒电容,同样也可能导致下管的寄生导通。



2、通过杂散电感导通


如果关断负载电流,发射极杂散电感上会产生感应电压



开关IGBT T1时,主电流将从续流二极管D1换向到IGBT。由于二极管电流衰减产生的电流变化率diC2 /dt在LσE2上产生感应电压,并使T2的发射极电位变为负值。如果通过高diC /dt产生的感应电压高于IGBT的阈值电压,那么这将导致T2的寄生导通。



图2:发射极电感上产生的感应电压



3、具有共辅助发射极的模块中的寄生导通


在多个IGBT芯片并联的模块中,各个芯片的辅助发射极都连接到一个共用发射极,非常快速的开关可能导致发射极的杂散电感上产生感应电压。


 


等效电路图如图3所示:



图3:通过共发射极电感的寄生导通


 


模块中的寄生电感在此编号为Lσ1至Lσ9。导通IGBT T6时,Lσ2 和Lσ3 上产生的感应电压会影响T2。因此,当IGBT T2的发射极电位变化超过阈值电压时,IGBT T2寄生导通。



检验寄生导通



为了检验寄生导通,需要在模块的桥臂上引入电流传感器。两次测量可得出明确的证据。


 


1. 对下桥臂IGBT加双脉冲,同时用负电压保持上桥臂IGBT在关断状态。


2. 对下桥臂IGBT加双脉冲,按应用中默认方式使上桥臂IGBT处在关断状态。


 


建议使用介于0.1⋅Icnom到2⋅Icnom之间的不同电流进行测量。


 


当两条电流曲线差别很大时,就证明了寄生导通。这里要特别注意的是更高的电流峰值、更宽的反向电流峰值和额外的电流脉冲。 “解决方案建议”一章中详细介绍了抑制误导通的方法。



图4:带电流传感器的桥臂


 


在支持螺旋端子电源连接的应用中,通常可以使用Rogowski线圈进行测量。不过,在大多数情况下,无法直接在桥臂上进行测量。在较小的模块中,负载电流通常通过焊针引入PCB。这里建议在DC总线中测量,如使用Rogowski线圈或电阻分流器。



解决方案建议



1、改变栅极电阻


通过改变栅极电阻RGon可以影响导通期间的电压变化率-dvCE /dt和电流变化率diC/dt。增大栅极电阻可减小电压和电流变化,使IGBT开关速度更慢;改变栅极电阻对各参数的影响详见文后表1。



通过减小RGoff值可避免电容寄生导通。不过,通过增大RGoff值能防止电感寄生导通。


  


2、分开的栅极电阻帮助实现安全的导通和关断特性


在许多应用场合下,使用独立的导通和关断电阻时可实现较为安全的开关特性。



图5:分开的导通和关断电阻


 


选择RGoff <RGon 防止米勒电容导致的电容寄生导通;原理参见“通过米勒电容导通”内容。


 


3、外加栅极发射极电容用于分流米勒电流


可以通过栅极和发射极之间的外加电容CG来影响开关性能。该电容将吸收来自米勒电容的额外电荷。由于IGBT的总输入电容为CG ||CGE,因此达到阈值电压所需的栅极电荷增加。



图6:栅极和发射极之间的外加电容


 


对于没有内部栅极电阻的IGBT模块,建议在电容上串联一个外加电阻RS,以防止振荡。RS的推荐值为



为外加电容器推荐的电容也来自经验,并通过计算得出



由于额外增加了电容,所需的驱动器功率也会增加。并且IGBT显示出更高的开关损耗,这将取决于如何选择RGon / off。



4、晶体管用于分流米勒电流(有源米勒钳位)


防止意外导通的另一措施是短接栅极到发射极。这可以通过栅极和发射极之间的外加晶体管来实现。



只要驱动器在其输出端输出0V,晶体管“开关”就会在一段时间延迟后开启,从而使栅极-发射极区短路。米勒电容上的电流iCG从晶体管上以可控方式分流,从而保证IGBT安全开关。




 


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