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圖1所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu), N+ 區(qū)稱為源區(qū),附于其上的電極稱為源極。N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū),附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)(包括P+ 和P 一區(qū))(溝道在該區(qū)域形成),稱為亞溝道區(qū)( Subchannel region )。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)( Drain injector ),它是IGBT 特有的功能區(qū),與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管,起發(fā)射極的作用,向漏極注入空穴,進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制,以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。

IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道,給PNP 晶體管提供基極電流,使IGBT 導(dǎo)通。反之,加反向門極電壓消除溝道,切斷基極電流,使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和mosfet 基本相同,只需控制輸入極N一溝道MOSFET ,所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后,從P+ 基極注入到N 一層的空穴(少子),對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制,減小N 一層的電阻,使IGBT 在高電壓時(shí),也具有低的通態(tài)電壓。

IGBT 的開(kāi)關(guān)特性主要取決于IGBT的門極電荷及內(nèi)部和外部的電阻。圖1是IGBT 門極電容分布示意圖,其中CGE 是柵極-發(fā)射極電容、CCE 是集電極-發(fā)射極電容、CGC 是柵極-集電極電容或稱米勒電容(Miller CaPACitor)。門極輸入電容Cies 由CGE 和CGC 來(lái)表示,它是計(jì)算IGBT 驅(qū)動(dòng)器電路所需輸出功率的關(guān)鍵參數(shù)。該電容幾乎不受溫度影響,但與IGBT集電極-發(fā)射極電壓VCE 的電壓有密切聯(lián)系。在IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的電容Cies 的值,在實(shí)際電路應(yīng)用中不是一個(gè)特別有用的參數(shù),因?yàn)樗�是通過(guò)電橋測(cè)得的,在測(cè)量電路中,加在集電極上C 的電壓一般只有25V(有些廠家為10V),在這種測(cè)量條件下,所測(cè)得的結(jié)電容要比VCE=600V 時(shí)要大一些(如圖2)。由于門極的測(cè)量電壓太低(VGE=0V )而不是門極的門檻電壓,在實(shí)際開(kāi)關(guān)中存在的米勒效應(yīng)(Miller 效應(yīng))在測(cè)量中也沒(méi)有被包括在內(nèi),在實(shí)際使用中的門極電容Cin值要比IGBT 數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的電容Cies 值大很多。因此,在IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的電容Cies值在實(shí)際應(yīng)用中僅僅只能作為一個(gè)參考值使用。

確定IGBT 的門極電荷

對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō),最重要的參數(shù)是門極電荷QG(門極電壓差時(shí)的IGBT 門極總電荷),如果在IGBT 數(shù)據(jù)手冊(cè)中能夠找到這個(gè)參數(shù),那么我們就可以運(yùn)用公式計(jì)算出:門極驅(qū)動(dòng)能量 E = QG · UGE = QG · [ VG(on) - VG(off) ]

門極驅(qū)動(dòng)功率 PG = E · fSW = QG · [ VG(on) - VG(off) ] · fSW

驅(qū)動(dòng)器總功率 P = PG + PS(驅(qū)動(dòng)器的功耗)

平均輸出電流 IoutAV = PG / ΔUGE = QG · fSW

最高開(kāi)關(guān)頻率 fSW max. = IoutAV(mA) / QG(μC)

峰值電流IG MAX = ΔUGE / RG min = [ VG(on) - VG(off) ] / RG min

其中的 RG min = RG extern + RG intern

fsw max. : 最高開(kāi)關(guān)頻率IoutAV :單路的平均電流QG : 門極電壓差時(shí)的 IGBT門極總電荷RG extern : IGBT 外部的門極電阻RG intern : IGBT 芯片內(nèi)部的門極電阻但是實(shí)際上在很多情況下,數(shù)據(jù)手冊(cè)中這個(gè)門極電荷參數(shù)沒(méi)有給出,門極電壓在上升過(guò)程中的充電過(guò)程也沒(méi)有描述。這時(shí)候最好是按照 IEC 60747-9-2001 - Semiconductor devices -

Discrete devices - Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)

所給出的測(cè)試方法測(cè)量出開(kāi)通能量E,然后再計(jì)算出QG。

E = ∫IG · ΔUGE · dt= QG · ΔUGE

這種方法雖然準(zhǔn)確但太繁瑣,一般情況下我們可以簡(jiǎn)單地利用IGBT數(shù)據(jù)手

冊(cè)中所給出的輸入電容Cies值近似地估算出門極電荷:

如果IGBT數(shù)據(jù)表給出的Cies的條件為VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz,那么可以近似的認(rèn)為Cin=4.5Cies,

門極電荷 QG ≈ ΔUGE · Cies · 4.5 = [ VG(on) - VG(off) ] · Cies · 4.5

Cies : IGBT的輸入電容(Cies 可從IGBT 手冊(cè)中找到)

如果IGBT數(shù)據(jù)表給出的Cies的條件為VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz,那么可以近似的認(rèn)為Cin=2.2Cies,

門極電荷 QG ≈ ΔUGE · Cies · 2.2 = [ VG(on) - VG(off) ] · Cies · 2.2

Cies : IGBT的輸入電容(Cies 可從IGBT 手冊(cè)中找到)

如果IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中已經(jīng)給出了正象限的門極電荷曲線,那么只用Cies 近似計(jì)算負(fù)象限的門極電荷會(huì)更接近實(shí)際值:

門極電荷 QG ≈ QG(on) + ΔUGE · Cies · 4.5 = QG(on) + [ 0 - VG(off) ] · Cies · 4.5

—— 適用于Cies 的測(cè)試條件為 VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT

門極電荷 QG ≈ QG(on) + ΔUGE · Cies · 2.2 = QG(on) + [ 0 - VG(off) ] · Cies · 2.2

—— 適用于Cies 的測(cè)試條件為 VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT

當(dāng)為各個(gè)應(yīng)用選擇IGBT驅(qū)動(dòng)器時(shí),必須考慮下列細(xì)節(jié):

·驅(qū)動(dòng)器必須能夠提供所需的門極平均電流IoutAV 及門極驅(qū)動(dòng)功率PG。驅(qū)動(dòng)器的最大平均輸出電流必須大于計(jì)算值。

·驅(qū)動(dòng)器的輸出峰值電流IoutPEAK 必須大于等于計(jì)算得到的最大峰值電流。

·驅(qū)動(dòng)器的最大輸出門極電容量必須能夠提供所需的門極電荷以對(duì)IGBT 的門極充放電。在POWER-SEM 驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)表中,給出了每脈沖的最大輸出電荷,該值在選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)必須要考慮。

另外在IGBT驅(qū)動(dòng)器選擇中還應(yīng)該注意的參數(shù)包括絕緣電壓Visol IO 和dv/dt 能力。

1、消除柵極振蕩

絕緣柵器件(IGBT、MOSFET)的柵射(或柵源)極之間是容性結(jié)構(gòu),柵極回路的寄生電感又是不可避免的,如果沒(méi)有柵極電阻,那柵極回路在驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)脈沖的激勵(lì)下要產(chǎn)生很強(qiáng)的振蕩,因此必須串聯(lián)一個(gè)電阻加以迅速衰減。

2、轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)器的功率損耗

電容電感都是無(wú)功元件,如果沒(méi)有柵極電阻,驅(qū)動(dòng)功率就將絕大部分消耗在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的輸出管上,使其溫度上升很多。

3、調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)器件的通斷速度

柵極電阻小,開(kāi)關(guān)器件通斷快,開(kāi)關(guān)損耗小;反之則慢,同時(shí)開(kāi)關(guān)損耗大。但驅(qū)動(dòng)速度過(guò)快將使開(kāi)關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高,從而產(chǎn)生較大的干擾,嚴(yán)重的將使整個(gè)裝置無(wú)法工作,因此必須統(tǒng)籌兼顧。

二、柵極電阻的選取

1、柵極電阻阻值的確定

各種不同的考慮下,柵極電阻的選取會(huì)有很大的差異。初試可如下選取:

不同品牌的IGBT模塊可能有各自的特定要求,可在其參數(shù)手冊(cè)的推薦值附近調(diào)試。

2、柵極電阻功率的確定

柵極電阻的功率由IGBT柵極驅(qū)動(dòng)的功率決定,一般來(lái)說(shuō)柵極電阻的總功率應(yīng)至少是柵極驅(qū)動(dòng)功率的2倍。

IGBT柵極驅(qū)動(dòng)功率 P=FUQ,其中:

F 為工作頻率;

U 為驅(qū)動(dòng)輸出電壓的峰峰值;

Q 為柵極電荷,可參考IGBT模塊參數(shù)手冊(cè)。

例如,常見(jiàn)IGBT驅(qū)動(dòng)器(如TX-KA101)輸出正電壓15V,負(fù)電壓-9V,則U=24V,

假設(shè) F=10KHz,Q=2.8uC

可計(jì)算出 P=0.67w ,柵極電阻應(yīng)選取2W電阻,或2個(gè)1W電阻并聯(lián)。

三、設(shè)置柵極電阻的其他注意事項(xiàng)

1、盡量減小柵極回路的電感阻抗,具體的措施有:

①驅(qū)動(dòng)器靠近IGBT減小引線長(zhǎng)度;

②驅(qū)動(dòng)的柵射極引線絞合,并且不要用過(guò)粗的線;

③線路板上的2根驅(qū)動(dòng)線的距離盡量靠近;

④柵極電阻使用無(wú)感電阻;

⑤如果是有感電阻,可以用幾個(gè)并聯(lián)以減小電感。

2、IGBT 開(kāi)通和關(guān)斷選取不同的柵極電阻

通常為達(dá)到更好的驅(qū)動(dòng)效果,IGBT開(kāi)通和關(guān)斷可以采取不同的驅(qū)動(dòng)速度,分別選取 Rgon和Rgoff(也稱 Rg+ 和 Rg- )往往是很必要的。

IGBT驅(qū)動(dòng)器有些是開(kāi)通和關(guān)斷分別輸出控制,只要分別接上Rgon和Rgoff就可以了。

有些驅(qū)動(dòng)器只有一個(gè)輸出端,這就要在原來(lái)的Rg上再并聯(lián)一個(gè)電阻和二極管的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò),用以調(diào)節(jié)2個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)速度。

3、在IGBT的柵射極間接上Rge=10-100K電阻,防止在未接驅(qū)動(dòng)引線的情況下,偶然加主電高壓,通過(guò)米勒電容燒毀IGBT。所以用戶最好再在IGBT的柵射極或MOSFET柵源間加裝Rge。

表1 IGBT門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系

由于IGBT的開(kāi)關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動(dòng)電路的變化而變化,因而驅(qū)動(dòng)電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。為使IGBT能可靠工作。IGBT對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路提出了以下要求。

1、向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼�向柵壓。并且在IGBT導(dǎo)通后。柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度,使IGBT的功率輸出級(jí)總處于飽和狀態(tài)。瞬時(shí)過(guò)載時(shí),柵極驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)。IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān),在漏源電流一定的情況下,VGE越高,VDS儺就越低,器件的導(dǎo)通損耗就越小,這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是, VGE并非越高越好,一般不允許超過(guò)20 V,原因是一旦發(fā)生過(guò)流或短路,柵壓越高,則電流幅值越高,IGBT損壞的可能性就越大。通常,綜合考慮取+15 V為宜。

2、能向IGBT提供足夠的反向柵壓。在IGBT關(guān)斷期間,由于電路中其他部分的工作,會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào),這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài),增加管子的功耗。重則將使調(diào)壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此,最好給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓(幅值一般為5~15 V),使IGBT在柵極出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。

3、具有柵極電壓限幅電路,保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V,驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極。

4、由于IGBT多用于高壓場(chǎng)合。要求有足夠的輸入、輸出電隔離能力。所以驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離,一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。

5、IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單、實(shí)用。應(yīng)具有IGBT的完整保護(hù)功能,很強(qiáng)的抗干擾能力,且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低。