IGBT--退飽和問題
IGBT--退飽和問題
這是某產(chǎn)品輸出特性曲線,可以看到IGBT工作區(qū)分為三個部分:
1、截止區(qū):CE間電壓小于0.7V,IGBT背面PN結(jié)截止,無電流流動。
2、飽和區(qū):CE間電壓大于0.7V,電流開始流動,CE間電壓隨著集電極電流上升而線性上升。這是IGBT希望的工作狀態(tài)。
3、放大區(qū):隨著CE間電壓繼續(xù)上升,電流進一步增大。到一定臨界點后,CE電壓迅速增大,而集電極電流并不隨之增長。這時我們稱IGBT退出了飽和區(qū)。
為什么IGBT會發(fā)生退飽和現(xiàn)象?
這要從IGBT的平面結(jié)構(gòu)說起。IGBT和MOSFET有類似的器件結(jié)構(gòu),MOS中的漏極D相當于IGBT的集電極C,而MOS的源極S相當于IGBT的發(fā)射極E,二者都會發(fā)生退飽和現(xiàn)象。下圖所示是一個簡化的MOS剖面圖,以此來闡述退飽和發(fā)生的原因。柵極施加一個大于閾值的正壓VGS,則柵極氧化層下方會形成導電溝道,這時如果給漏極D施加正壓VDS,則源極中的電子便會在電場的作用下源源不斷地從漏極D流向源極S,這樣電流便形成了,這時電流隨DS電壓的增長而線性增長。隨著DS電壓的增大,使得柵極和硅表面的電壓差很小而不能維持硅表面的強反型,溝道出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象,電流不再隨DS電壓的增加而成比例增長。
正常工作
退飽和狀態(tài)
那么在應(yīng)用中,退飽和現(xiàn)象會有什么危害呢?
在實際應(yīng)用中,退飽和現(xiàn)象一般發(fā)生在器件短路時,這時CE電壓上升到母線電壓,電流一般是額定電流的4倍(見各器件規(guī)格書),功率異常增大,結(jié)溫急劇上升,不及時關(guān)斷器件就有可能燒毀器件。多數(shù)IGBT有一定的短路承受能力,一般在10us之內(nèi),具體參見各產(chǎn)品規(guī)格書。
遇到退飽和現(xiàn)象怎么辦
1、最簡單的辦法:監(jiān)測電流,電流超過一定的閾值后驅(qū)動器報錯,關(guān)斷IGBT。這種方法本質(zhì)上是過流檢測,無法將過流與退飽和相區(qū)分。
2、檢測器件的CE電壓。IGBT正常工作時CE電壓很低,一般在1V到3V之間,而IGBT發(fā)生退飽和之后CE電壓會迅速上升。退飽和檢測電路事先設(shè)定一個閾值電壓,比如9V,當CE間電壓超過9V時,驅(qū)動芯片報錯,關(guān)斷IGBT。目前多數(shù)驅(qū)動芯片廠商都推出了集成了退飽和檢測功能的芯片,只需要簡單的外圍電路即可實現(xiàn)。下面是一個典型的退飽和檢測電路(圖中功率器件為MOSFET,換成IGBT通用)。驅(qū)動芯片內(nèi)置一個500uA恒流源,器件正常工作時壓降很低,500uA的電流流過功率器件;當器件退飽和后壓降急劇升高,二極管DDESAT截止,500uA電流只能向電容CDESAT充電,當CDESAT上的電壓超過9V時,芯片內(nèi)部比較器翻轉(zhuǎn),邏輯電路報錯。
退飽和關(guān)斷時注意什么
因為在退飽和狀態(tài)下器件電流非常大,如果不加限制地關(guān)斷IGBT,會產(chǎn)生很大的di/dt,施加在回路的寄生電感上就會感應(yīng)出很高的CE電壓,如果這個電壓高于器件額定電壓,那么IGBT就有可能損壞。我們有兩種手段來控制關(guān)斷時的電壓尖峰
1、軟關(guān)斷:當驅(qū)動器檢測到短路時,軟關(guān)斷功能不是將IGBT的柵極電壓直接轉(zhuǎn)換成0V或者相應(yīng)的負壓,而是利用一個相對較大的電阻,通過它給柵射之間的電容Cge放電,從而降低IGBT的關(guān)斷速度,避免產(chǎn)生過電壓。一旦柵極電壓降低到某個值(如2V),大電阻就會被一個小電阻取代,這樣可以確??焖俣耆亟o柵射電容Cge放電。
2、有源鉗位:有源鉗位的基本原理如圖a所示,只要集電極處的電位超過了某一特定電壓臨界值UCE,且這個電壓高于二極管VD1的雪崩電壓,電流I1流過D1,D2,RG和T2, 如果RG上的電流大于IGBT的閾值電壓Vth,則IGBT再次開通,關(guān)斷過程減慢,從而集電極電壓得到抑制。這種方法對TVS管的要求較高,且會增大柵極-集電極之間的電容,因此實際中經(jīng)常采用會把信號反饋到柵極放大器的推挽前級,如圖所示。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:IGBT--退飽和問題
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