IGBT在半桥式电机控制中的使用

2015-12-30 09:27:49

IGBT在半桥式电机控制中的使用

IGBT的特性和功能在直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域有着广泛的应用。

IGBT，也就是绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

IGBT一般半桥式电路中的IGBT尤其多用于电机控制应用。图腾柱式布局创造出一种需要最佳栅极电阻设计的场景。优化步骤是基于开关功耗、产生的EMI，直通电流和可导致故障的可能性之间的权衡。所有这些因素都随应用环境变化，包括母线电压和开关电流大小，这些综合起来确定IGBT的大小。IGBT的大小决定器件的寄生元件，包括相关的电容。一旦知道了寄生参数和系统参数，就可以选择最佳的栅极电阻值。

在设计半桥式布局中的栅极驱动时，应该认真考虑图1中的Rg_on和Rg_off。较低的Rg_on值由于会使IGBT速度更快，因而能够减少开关能耗。由于开关时间减少，高电压和高电流状况持续的时间较短。然而，快速开关速度可能导致几个负面效应，比如EMI 增加，并且可能出现意外的直通电流。

在这些负面效应中，介绍意外直通电流。如图1所示，该穿通电流会通过将相反 IGBT栅极充电至超过阀值电压的点而导致寄生导通。当一颗IGBT导通时，会对另外一颗IGBT施加上升的dvce/dt电压。上升电压为米勒电容(Cgc)充电。因此，充电电流可通过以下方程式描述：Eq˙Icharging = CgcXdvce/dt。

该电流流入栅极电容Cge和Rg_off，如图1中的蓝线所示。基于Rg_off电阻、Cge，和电流，IGBT栅极-发射极两端产生一个电压。如果栅极-发射极电压高于IGBT栅极-发射极阀值电压 (VGEth)，产生直通电流，如图1中的红线所示，并据此绘制出绿色波形，如图2所示。

图1: C˙dv/dt电流和寄生导通

图2：因C˙dv/dt效应产生穿通电流时的真实开关波形

为了防止出现这种现象，可以采用的一种方法是增大IGBT VGEth的阀值。然而，IGBT的Vce(sat)行为与VGEth之间存在权衡。增大栅极阀值电压会导致额外的功耗，因为IGBT饱和电压Vce(sat)会增大。因此，就效率而言，存在对增大 VGEth的局限性。

因此，应该控制这种现象发生，通过在考虑固定IGBT特性如寄生电容和 VGEth时选择合适的栅极电阻值实现。

为了优化栅极控制电阻，要求知道影响图2中观察到的“Vge bump”的各种外部因素交互。

“Vge bump”电平会因为下列A到D项描述的关系中的因素增大：

因素C、D和E与工作条件相关。为了最小化穿通电流和产生的“Vge bump”，应该在最坏的C、D、E条件下考虑因素A和B。

图3显示如何通过调节栅极关断速度将开关内波形优化到基本消除电流直通的点。总之，为了阻止或减少这种穿通问题，推荐采用几种调节方法，如表1所示。图3显示通过减小Rg_off值的调节方法的实例。推荐采用其他调节方法，最小化直通电流的效应，同时优化整体开关性能和效率。该表格总结了可以尝试的调节方法、预期效应和可能缺点。建议尝试各种调节方法，从而获得能够最大化效率同时最小化产生的直通电流和EMI的最佳情况。

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图3：通过减小Rg_off进行优化的实例
表1:优化IGBT半桥式开关过渡过程的调节方法

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