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IGBT驱动原理
目 录
一、简介
二、 工作原理
三、 技术现状
四、测试方法
五、选取方法
简介:
绝缘栅双极晶体管 IGBT 是第三代电力电子器件,安全工作,它集功率晶体管 GTR 和功率
场效应管 MOSFET的优点于一身,具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高
(10-40 kHz) 的特点,是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。广泛应用于小体积、高
效率的变频电源、电机调速、 UPS 及逆变焊机当中。 IGBT 的驱动和保护是其应用中的关
键技术。
1 IGBT门极驱动要求
1.1栅极驱动电压
因 IGBT栅极 -发射极阻抗大,故可使用 MOSFET驱动技术进行驱动,但 IGBT 的输
入电容较MOSFET大,所以 IGBT 的驱动偏压应比 MOSFET驱动所需偏压强。图1 是一个
典型的例子。在 +20 ℃情况下,实测60 A , 1200 V 以下的 IGBT 开通电压阀值为5 ~
6 V ,在实际使用时,为获得最小导通压降,应选取 Ugc ≥ (1.5 ~ 3)Uge(th) ,当 Uge
增加时,导通时集射电压Uce 将减小,开通损耗随之减小, 但在负载短路过程中 Uge 增加,
集电极电流 Ic 也将随之增加,使得 IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄,因此 Ugc 的选择
不应太大,这足以使 IGBT 完全饱和,同时也限制了短路电流及其所带来的应力 ( 在具有
短路工作过程的设备中, 如在电机中使用 IGBT时,+Uge 在满足要求的情况下尽量选取最
小值,以提高其耐短路能力 ) 。
1.2 对电源的要求
对于全桥或半桥电路来说, 上下管的驱动电源要相互隔离, 由于 IGBT 是电压控制器件,
所需要的驱动功率很小, 主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电, 要求能提供
较大的瞬时电流, 要使 IGBT 迅速关断, 应尽量减小电源的内阻, 并且为防止 IGBT 关断时
产生的 du/dt 误使 IGBT 导通,应加上一个 -5 V 的关栅电压,以确保其完全可靠的关断
( 过大的反向电压会造成 IGBT 栅射反向击穿,一般为 -2 ~ 10 V 之间 ) 。
1.3 对驱动波形的要求
从减小损耗角度讲, 门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭, 前沿很陡的门极电
压使 IGBT 快速开通,达到饱和的时间很短, 因此可以降低开通损耗, 同理,在 IGBT 关断
时,陡峭的下降沿可以缩短关断时间, 从而减小了关断损耗, 发热量降低。 但在实际使用中,
过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。 因为在这种情况下, IGBT 过快的开
通与关断将在电路中产生频率很高、 幅值很大、 脉宽很窄的尖峰电压 Ldi/dt ,并且这种尖
峰很难被吸收掉。 此电压有可能会造成 IGBT 或其他元器件被过压击穿而损坏。 所以在选择
驱动波形的上升和下降速度时,应根据电路中元件的耐压能力及 du/dt 吸收电路性能综合
考虑。
1.4 对驱动功率的要求
由于 IGBT 的开关过程需要消耗一定的电源功率,最小峰值电流可由下式求出:
I GP = △ U ge /R G +R g ;
式中△ Uge=+Uge+|Uge| ; RG 是 IGBT 内部电阻; Rg 是栅极电阻。
驱动电源的平均功率为:
P AV =C ge △ Uge 2 f,
式中. f 为开关频率; Cge 为栅极电容。
1.5 栅极电阻
为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡, 减小 IGBT 集电极的电压尖峰, 应在 IGBT 栅
极串上合适的电阻 Rg 。当 Rg 增大时, IGBT 导通时间延长,损耗发热加剧; Rg 减小
时, di/dt 增高,可能产生误导通,使 IGBT 损坏。应根据 IGBT 的电流容量和电压额
定值以及开关频率来选取 Rg 的数值。通常在几欧至几十欧之间 ( 在具体应用中,还应
根据实际情况予以适当调整 ) 。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏
IGBT ,建议在栅射间加入一电阻 Rge ,阻值为 10 k Ω 左右。
1.6 栅极布线要求
合理的栅极布线对防止潜在震荡,减小噪声干扰,保护 IGBT 正常工作有很大帮助。
a .布线时须将驱动器的输出级和 lGBT 之间的寄生电感减至最低 ( 把驱动回路包围的
面积减到最小 ) ;
b .正确放置栅极驱动板或屏蔽 驱动电路 ,防止功率电路和控制电路之间的耦合;
c .应使用辅助发射极端子连接驱动电路;
d .驱动电路输出不能和 IGBT 栅极直接相连时,应使用双绞线连接 (2 转/ cm) ;
e .栅极保护,箝位元件要尽量靠近栅射极。
1.7 隔离问题
由于功率 IGBT 在电力电子设备中多用于高压场合,所以驱动电路必须与整个控制电路
在电位
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