影响IGBT驱动电路性能参数的因素

电路

IGBT 即绝缘门极双极型晶体管( IsolatedGate Bipolar Transistor)，这是八十年代末九十年代初迅速发展起来的一种新型复合器件。由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动(MOSFET的优点)，同时通态压降较低，可以向高电压、大电流方向发展(GTR的优点)。因此， IGBT发展很快，特别是在开关频率大于1kHz，功率大于5kW的应用场合具有很大优势。在全桥逆变电路中， IGBT是核心器件，它可在高压下导通，并在大电流下关断，故在硬开关桥式电路中，功率器件IGBT能否正确可靠地使用起着至关重要的作用。驱动电路就是将控制电路输出的PWM信号进行功率放大，以满足驱动IGBT的要求，所以，驱动电路设计的是否合理直接关系到IGBT的安全、可靠使用。为了确保驱动电路设计的合理性，使用时必须分析驱动电路中的参数。　　1 栅极电阻和分布参数分析
　　IGBT在全桥电路工作时的模型如图1所示。
　　RG+Rg是IGBT的栅极电阻， L01、L02、L03是杂散电感(分布电感)， Cgc、Cge、Cce是IGBT的极间电容， U1是驱动控制信号， U2为母线电压。

图1 IGBT的全桥模型
　　1.1 IGBT的导通初态
　　二极管D1导通时，若Uge为所加的反向电压值(可记为-Ug2，正向电压记为+Ug1)，集电极电流iC=0， Uce=U2。开通后， U1向Cgc、Cge充电，此时Uge可写成：

　　其中时间常数τi= (Rg+RG) (Cge+Cgc)，只有Uge上升至门槛电压Uge (th)后， IGBT才会导通。从上述公式可以看出， Uge的上升速度是和时间常数成反比的，即栅极电阻和输入电容越大，上升速度越慢， IGBT开通的时间就越长。
　　1.2 IGBT的关断初态
　　若Q1处于全导通状态，二极管D1处于截止状态，二极管中的电流为0， Uce为IGBT管压降，Uge=Ug1，输入电压由Ug1变为-Ug2， Cge和Cgc被反向充电， uge下降，此时uge可表示为：

　　其中τi＝ (Rg+RG) (Cge+Cgc)
　　上式表明， τi越大，关断延迟时间越长。
　　1.3 导通至关断的过程
　　IGBT在开关过程中，可能会有电压或电流的突变，这将引起器件上电压或电流尖峰的产生以及高频谐波振铃。这一现象有两个不利点：一是会产生电磁干扰，二是会增加器件的应力。通常采取的应对措施是用缓冲吸收回路来抑制开关过程的突变。下面会分析一下电路中产生电压或电流尖峰的原因。
　　首先是导通至关断过程中的杂散电感极性会发生变化， IGBT极间电容在IGBT关断时，也会反向放电。
　　其次，二极管D1导通时，相应的D1中的电流iD1会上升。为了维持原先的电流，储存在L02中的磁能将释放出来， L02的端电压反向，该电压将使IGBT产生关断过电压，即在CE两端产生电压尖峰。如果杂散电感L02足够小， CE端电压的尖峰只等于IGBT的管压降(2V左右)。但由于CE端产生了电压尖峰，故使集电极电流iC有了一个负向的尖峰。
　　另外，开通过程中，由于二极管D1的反向恢复电流IRM将叠加在集电极电流iC上，这也会使IGBT实际流过的电流存在一个尖峰，这一尖峰可通过串联在回路中的电阻上的电压波形观察。
2 实验设计及结果分析
　　图2所示为本实验的电路连接图，其中R1取5Ω～20Ω； C1 取10000pF ～40000pF； R2 取20Ω～50Ω； C2是电解电容，取值为1000μF～3000μF；C3是薄膜电容，取值1.5μF； U是直流电压源，电压为10V～100V。实验时，可通过改变R1、R2、C1、C2和U的大小来观察各部分波形的变化，以分析各个参数对整个电路的影响。其实验时测试的波形如图3所示。通过观察和分析实验波形的变化，可以得出以下结论：

图2 实验电路连接图

(a) GE端电压波形

(b) CE端电压波形

(c) 电源端夹杂交流电压波形

(d) 集电极电流波形
图3 实验测试波形图
　　在输入端增大串联电阻R1的阻值，会使输入驱动波形的上升沿与下降沿(GE端电压) 的锐度减缓，其影响是使IGBT的开通与关断的时间延长，同时输出端(CE) 的上升沿与下降沿的锐度也同样减缓，并可减小输出端CE两端电压的尖峰，另外，带给电源的高频谐波的峰值也在减小。但是，这样会使IGBT的开关损耗增大。
　　GE端并联电容C1同样会使输入驱动波形的上升沿和下降沿锐度减缓，这对输出端CE间电压上升延迟和下降延迟有减缓作用，但该作用没有增加R1阻值的效果明显。
　　当R2减小，即负载增大时，随之增大的还有CE间电压尖峰和CE间电压波形的上升时间和下降时间，以及电源端电压中交流成分的幅值。
　　直流电源两端并联的电解电容C2可以有效抑制电源两端的低频谐波，谐波的频率在20kHz左右(与驱动信号频率相同)，在直流电源两端并联薄膜电容C3对高频谐波(几兆赫芝) 的抑制很有效。但是，当两个电容同时作用时，高频谐波依然会被引入，这并没有达到我们预期的效果；对比直流电源电压在10V～100V时各种情况下的电压上升沿与下降沿时间可以发现：上升时间与下降时间不会随着直流电源电压的增大而变化。也就是说：在实际的全桥电路中，这些参数不会跟随母线的变化而变化。
　　3 结束语
　　在实际电路中，栅极电阻的选择要考虑开关速度的要求和损耗的大小。栅极电阻也不是越小越好，当栅极电阻很小时， IGBT的CE间电压尖峰过大，栅极电阻很大时，又会增大开关损耗。
　　所以，选择时要在CE间尖峰电压能够承受的范围内适当减小栅极电阻。
　　由于电路中的杂散电感会引起开关状态下电压和电流的尖峰和振铃，所以，在实际的驱动电路中，连线要尽量短，并且驱动电路和吸收电路应布置在同一个PCB板上，同时在靠近IGBT的GE间加双向稳压管，以箝位引起的耦合到栅极的电压尖峰。