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              IGBT??橛τ弥泄缪沟挠行б种?/h1>
              2019-11-23 18:49:12 155

              文件版本 :

              1. 前言
                超快速的IGBT??榫哂蟹浅6痰纳仙奔浜拖陆凳奔?对应很小的开关损耗,通常用于20kHz以上频率的开关电源,应用中常常因寄生电感产生过电压,为了抑制过电压:一是??榈纳杓普哂呕?槟诓拷峁?减少??榧纳绺?二是使用者优化主电路结构,减少电路中的寄生电感;三是采用吸收电路和增加栅极电阻等方法。采用吸收电路和增加栅极电阻方法都会增加开关损耗或外围器件的损耗。本文采用一种新方法,保持器件的快速开关特性,在Uce达到母线电压之前减小dv/dt,使IGBT??榭厮鸷慕滴钚?同时抑制了过电压。
               
                2设计考虑
                在电路布线寄生的杂散电感是所有开关电源中的一个关键问题,在功率只有几瓦的小电源上,一个快速的关断过程就会引起与所储能量和开关速度成比例的过电压冲击。对于大功率电源来说,需要选择有较大富余量的器件抑制过电压,增加了整机的成本。高的开关电压也会增加导通损耗,降低整机效率。所以,我们面临的问题就是如何在提高开关速度并保持高效的同时,避免大的过电压冲击及由此引发的其他问题。
               
                3IGBT关断时的过电压
                完全消除杂散电感是不可能的,关断时总会有过电压。显然,线路寄生杂散电感应最大限度地减小,有许多方法可以实现。封装在??槟诘钠骷慕峁咕龆说绺械拇笮???榈绺械拇笮》从称骷圃煺叨缘绺形侍獾睦斫獬潭燃霸谏杓粕峡悸堑亩嗌?。减小线路电感可以通过缩小整个电路有效回路的面积来实现,而最有效的方法就是采用分层布线结构。这样,线路储能大大减小,在给定的开关速度下,过电压将会大大降低。另外,在整个线路上多加些退耦电容会进一步减小线路电感,但这些电容必须是低阻抗和低感抗的。有许多方法可以抑制过电压尖峰,它们都会增加开关器件的耗散功率。一种方法就是增加栅极串联电阻Rg来抑制dv/dt,使开关速度减慢,可以分别针对开通和关断,显著减小过电压尖峰,同时增加了开关损耗。图1显示了在1个360V/200A线路中使用的600V/200A的超快速IGBT??榈墓囟瞎滩缪辜夥宓那榭?。由于Rg(on)对开通影响不大,可以忽略。Rg(off)分别为08、108、158、208、308,表1给出了开关损耗的递增情况。

              表1 开关损耗递增情况
              开关损耗递增情况 

               

              600V/200A超快速IGBT??楣囟瞎缪顾鍾g(off)变化曲线示意图 
              图1 600V/200A超快速IGBT??楣囟瞎缪顾鍾g(off)变化曲线示意图

               
                如图1所示,Rg(off)增加到108时,开关损耗增加了1倍,而尖峰电压只降低了13%。这样600V的器件就可以工作在一个合理的安全范围内,其代价就是降低了效率。
               
                4. 抑制过电压的新方法
                理想的情况是在Uce达到主电路电压之前控制dv/dt,使器件尽可能地快速关断(包括抑制反并联二极管的dv/dt),然后抑制dv/dt,减小过电压尖峰,这样就可以做到超快IGBT??楣ぷ髟谧钚】厮鸷牡耐币布跣×斯缪辜夥?。实现此过程的基本方法就是在关断时以08的门极阻抗释放门极电荷,如果dv/dt太高的话,可以以1个小的门极阻抗值释放门极电荷,直到Uce达到主电路电压值。然后将门极释放路径切换到另一个高阻抗的通路。图2给出了一个实现此过程的方法。用此方法,输入驱动信号直接通过VD8旁路掉R3,获得快的上升时间。Q1和Q2的栅极输入正信号,Q1关断和Q2导通,将Q3和Q4的栅极电位降到地,使Q3导通和Q4关断。Q3的漏极电流通过R1注入IGBT门极,IGBT处于开通状态。Q5的栅极与输入驱动信号相连,在IGBT导通期间Q5是关断的。关断IGBT时,Q1导通和Q2关断,Q3和Q4栅极电位抬高,Q3关断和Q4导通。在同一时刻,Q5栅极电位降低,Q5导通。IGBT门极电荷立刻通过R4释放,可以使R4短路释放或依据IGBT的dv/dt参数设置一定的电阻值释放。Uce开始上升。

              抑制过电压电路原理图 
              图2 抑制过电压电路原理图
              新电路改变Rg过电压变化曲线示意图 
              图3 新电路改变Rg过电压变化曲线示意图

               
                当IGBT集电极电压上升到齐纳二极管VD1的击穿电压时,VD1导通,电流通过C1注入Q5栅极,关断Q5。此脉冲非常窄,足以关断Q5。当Q5不再泄放IGBT门极电荷时,门极电荷通过R2释放,减慢关断速度,减小了过电压尖峰。齐纳二极管VD2参数选为12~15V,防止IGBT门极被击穿。图3给出了新电路改变Rg过电压变化曲线示意图。图4给出了此线路中选用不同Rg(off)=R4=R2电阻值的试验线路。表2给出了相应的关断能量损耗Eoff值。试验线路中若选用R2>R4或R2更大,R4更小,其关断损耗会接近6mJ,实现抑制过电压减少损耗更为理想。

              选用不同的Rg(off)=R4=R2电阻值的试验线路图 
              图4 选用不同的Rg(off)=R4=R2电阻值的试验线路图

               
                5结论
                在开关电源线路中,超快速IGBT??榈哪诓拷峁辜跎偌纳绺惺侵匾?主电路结构优化设计,多层布线方法减少寄生电感更为重要。

              表2 开关能量损耗Eoff
              开关能量损耗Eoff值 

                抑制过电压的新方法可以做到在不受dv/dt限制的情况下降低过电压尖峰,IGBT的开关损耗降低了一半。


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