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第46讲:HVIGBT的驱动设计

发布日期:2021-12-09 浏览次数:1019 来源:三菱电机半导体作者:网络
 

// 讲座概述

本系列讲座旨在分享功率半导体的原理和相关应用知识,已发布的第1-30讲主要介绍了功率半导体的基础知识。从第31讲起为大家介绍HVIGBT的一系列相关知识,以帮助读者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正确应用方法。


变流器在工作时,可能因为不可抗拒因素和非正常工作条件而引起故障;在发生故障时,必须能及时有效的为HVIGBT提供保护,使其不受损坏,从而保证设备运行的安全性和可靠性。因为大多数HVIGBT的保护机理都通过检测故障信号从而去调整HVIGBT的驱动信号,所以HVIGBT的驱动和保护是密不可分的。



 

1.1.1 驱动功耗的计算

谈到HVIGBT的驱动,首先来了解下HVIGBT的开通过程。

 

 

图7.1 HVIGBT的门极充电过程

HVIGBT有一个MOS的栅极结构,在HVIGBT开通和关断的时候会对MOS的栅极进行充电和放电,图7-1显示了HVIGBT开通的门极结构及充电特性。

过程①:门极电流IG为寄生电容CGE和CGC充电;

过程②:门极电流IG为CGE充电,为HVIGBT导通创建通道;

过程③:“米勒效应”; 

过程④:门极电流IG为电容CGE和CGC充电

 

根据门极充电的特性曲线,我们可以计算出驱动HVIGBT所需要的平均功耗Pav如下:



其中:

QG:总的栅极电荷

fc:HVIGBT的开关频率

△VGE:栅极电压变化量

 

为HVIGBT的驱动板设计供电电源时候,要考虑到Pav 的值,同时还要考虑到驱动板上其他元件的功耗,并保留一定的余量。

驱动HVIGBT所需要的最小峰值电流为:



其中

VGE 为栅极电压,△VGE由下式求得:



Rg为HVIGBT外部的栅极驱动电阻;

rg为HVIGBT内部的栅极电阻。



 

1.1.2 驱动电压的选择

HVIGBT在开通时,为了保证其快速进入导通状态,我们要在其门极施加正向电压;在关断的时候,为了保证其能可靠关断,避免门极信号受到干扰产生误动作,也需要在门极施加负压。


1.1.2.1 正向偏置电压

通常情况下,建议HVIGBT开通时正向门极电压VGE取值为15V±10%。在任何情况下开通时的VGE不应超出12V~20V的范围。

 

正向偏置电压的选择和以下参数相关:

短路电流:VGE在16.5V以上时短路电流会增大,降低模块的短路承受能力;

饱和压降:VGE在13.5V以下时,相同集电极电流下的饱和电压VCE(sat)会变大,从而易导致热破坏,因此,如果VGE电压过低时应该采取措施停止开关继续工作。

开通时刻的电流上升率(di/dt):di/dt会随着VGE的增加而加


图7.2 VGE 对HVIGBT饱和压降的影响

1.1.2.2  反向偏置电压

通常情况下,在HVIGBT关断时,为了防止在HVIGBT在集电极-发射极电压上出现的dv/dt噪声引起开关误开通,必须在栅极上施加关断反向偏压。我们推荐HVIGBT的反向偏压VGE为-15V。反向偏置电压会影响到HVIGBT的关断损耗以及关断时刻的dv/dt等参数。表7.1所示为栅极电压对HVIGBT特性参数的影响:


表7.1 栅极电压对HVIGBT特性参数的影响



 

1.1.3 驱动电阻的选择

Rg对HVIGBT的开关表现影响很大,首先会直接影响到HVIGBT的开通和关断速度,而HVIGBT的开通和关断速度和开关损耗是紧密相连的,因此HVIGBT的产品规格书中会给出下表,列举了不同的Rg所对应的开关损耗。但是更快的开关速度同时也导致开通和关断时候的电流和电压的变化率很大,会对HVIGBT以及反并联二极管的安全工作区造成影响,因此Rg的选取原则是在确保安全工作的条件下降低开关损耗。



图7.3 栅极电阻Rg对HVIGBT开关损耗的影响

1.1.3.1  Rg(on)的影响

Rg(on)和HVIGBT的开通时间和开通损耗有关,减小Rg(on)会使得HVIGBT的开通时间更短,并减小开通损耗。但是,减小Rg(on)会对HVIGBT反并联二极管的反向恢复过程有影响,会使二极管反向恢复的di/dt更大,并使反向恢复损耗Err增加, 对二极管的安全工作很不利。因此Rg(on)的选择要在HVIGBT和反并联二极管之间做权衡,减低损耗的同时确保两者都不超出安全工作区。



图7.4 Rg(on)变化对HVIGBT开通波形的影响



图7.5 Rg(on)变化对反并联二极管反向恢复波形的影响

1.1.3.2  Rg(off)的影响

Rg(off)和HVIGBT的关断时间和关断损耗有关,Rg(off)越小,关断时间和关断损耗越小。同理,关断时间快,会导致关断时候的电流变化率di/dt很大,在杂散电感的影响下,会在HVIGBT的集电极和发射机上产生浪涌电压,对HVIGBT的安全造成威胁。

因此,栅极电阻是根据开关损耗和浪涌电压均衡考虑来选定最佳值,不同使用场合(使用条件)选用的最佳Rg值也不一样。



图7.6 Rg(off)变化对HVIGBT关断波形的影响

1.1.3.3  Rg(on)和Rg(off) 连接方式

有时候为了分别控制HVIGBT的开通和关断特性,则开通和关断时候使用不同的电阻值,具体的电路设计如下图:



图7.7 开通和关断速度分别可调的栅极电阻方案

1.1.3.4  死区时间的设置

由于HVIGBT等功率器件都存在一定的结电容,所以会造成器件导通关断的延迟现象,如果一个桥臂未完全关断,而另一桥臂又处于导通状态,会造成上下桥臂直通,如果保护不及时会造成模块损坏。因此,在控制中,人为加入上下桥臂同时关断时间,以保证驱动的安全性,我们称这个时间为死区时间(定义如图7.8所示)。死区时间大,模块工作更加可靠,但会带来输出波形的失真及降低输出效率。死区时间小,输出波形要好一些,只是会降低可靠性。死区时间的计算需要考虑到驱动器的延迟时间和HVIGBT的开通和关断延迟时间, 死区时间一般是微秒级别的。





 

图7.8 死区时间的定义

在图7.9中:

t1:HVIGBT的开通信号在驱动器上的延迟

t2:HVIGBT的开通延迟

t3:HVIGBT的关断信号在驱动器上的延迟

t4:HVIGBT的关断延迟

 


图7.9 控制信号,实际驱动信号与死区时间的关系

由图可见我们人为设置的死区时间(TD)经过驱动器以及HVIGBT自身的开通和关断延迟,最终在波形处反应出的真正死区时间实际是TD’。从图上可以看到,TD’可以由下式得出:



为了避免上下管之间的直通现象发生,TD’必须大于零,因此死区时间的设置应满足以下公式:



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