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基于IGBT的固態(tài)脈沖調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),使用電阻控制IGBT開關(guān)的方法剖析

2017年05月17日 11:03 網(wǎng)絡(luò)整理 作者: 用戶評(píng)論(0

  基于IGBT的固態(tài)脈沖調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):

  在雷達(dá)發(fā)射機(jī)脈沖調(diào)制器中,廣泛采用的是電真空管作為開關(guān)管。這種結(jié)構(gòu)的脈沖調(diào)制器具有配套技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)高、使用壽命短等缺點(diǎn),尤其是其不適用于大功率、高重復(fù)頻率等工作場合的缺陷,使其已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代雷達(dá)的復(fù)雜信號(hào)處理的需求。

  隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,新型功率開關(guān)器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)迅速占領(lǐng)了市場,滿足了人們把大功率、超高頻率開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)固態(tài)化的期望,有著完全取代電真空管的趨勢。這也為在雷達(dá)發(fā)射機(jī)脈沖調(diào)制器中采用IGBT作為開關(guān)管以替代電真空管奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

  1 脈沖調(diào)制器的結(jié)構(gòu)

  根據(jù)脈沖調(diào)制器的任務(wù),它基本由下列3部分組成:電源部分、能量儲(chǔ)存部分、脈沖形成部分。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負(fù)載放電會(huì)在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的,其電阻通常選擇和負(fù)載阻抗相等,而電容的大小可按電路時(shí)間常數(shù)與脈沖前沿時(shí)間大致相當(dāng)來確定。

  電源部分的作用是把初級(jí)電源(例如市電)變換成符合要求的直流電源。直流電源包括低壓電源和高壓電源兩種,低壓電源供給調(diào)制脈沖預(yù)處理電路使用,高壓電源供給調(diào)制脈沖形成電路使用。

  能量儲(chǔ)存部分的作用是為了降低對(duì)于電源部分的高峰值功率要求。因?yàn)槊}沖調(diào)制器是在短促的脈沖期間給射頻發(fā)生器提能量的,而在較長的脈沖間歇期間停止工作,因此為了有效地利用電源功率,可以采用儲(chǔ)能元件在脈沖間歇期間把電源送來的能量儲(chǔ)存起來,等到脈沖期間再把儲(chǔ)存的能量放出,交給射頻發(fā)生器。常用的儲(chǔ)能元件有電容器和人工線(或稱仿真線)。

  脈沖形成部分是利用一個(gè)開關(guān),控制儲(chǔ)能元件對(duì)負(fù)載(射頻發(fā)生器)放電,以提供電壓、功率、脈沖寬度及脈沖波形等都滿足要求的視頻脈沖。常用的開關(guān)元件有真空三、四極管、氫閘流管、半導(dǎo)體開關(guān)元件(可控硅元件)和具有非線性電感的磁開關(guān)等。

  真空管的通斷可由柵極電壓控制,通斷利索,這種開關(guān)稱為剛性開關(guān),對(duì)應(yīng)的調(diào)制器稱為剛性調(diào)制器。氫閘流管、半導(dǎo)體開關(guān)元件和具有非線性電感的磁開關(guān)則只能控制其導(dǎo)通,而不能控制其關(guān)斷,這種開關(guān)元件稱為軟性開關(guān),對(duì)應(yīng)的調(diào)制器稱為軟性調(diào)制器。

  2 開關(guān)器件的比較

  對(duì)傳統(tǒng)的電真空器件(氫閘流管)和現(xiàn)代電力電子器件IGBT的電氣性能進(jìn)行比較。

  2.1 傳統(tǒng)電真空管器件

  以真空三、四極管為調(diào)制開關(guān)的剛性調(diào)制器適應(yīng)能力強(qiáng),能適應(yīng)各種波形、重復(fù)頻率的要求,但這也是以體積、重量、結(jié)構(gòu)和成本為代價(jià)的。為彌補(bǔ)自身不足以適應(yīng)各種工作需要,剛性調(diào)制器又分為多種類型,但都避免不了其功率小、效率低的缺陷。

  以氫閘流管為開關(guān)元件的軟性調(diào)制器雖能克服剛性調(diào)制器的不足,但自身的缺陷也很突出,主要表現(xiàn)為:1)脈沖波形頂部抖動(dòng)、后沿拖長;2)對(duì)負(fù)載阻抗的適應(yīng)性差;3)對(duì)波形的適應(yīng)性也差。

  可見軟性調(diào)制器只能適應(yīng)于精度要求不高、波形要求不嚴(yán)格的大功率雷達(dá)中。并且不管是剛性還是軟性調(diào)制器,其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜都使其可靠性降低,并且維修難度大。

  2.2 現(xiàn)代電力電子器件

  開關(guān)元件的固態(tài)化是發(fā)展的大趨勢,尤其是電力電子器件在由傳統(tǒng)型向現(xiàn)代型轉(zhuǎn)變以后,許多新興的器件迅速應(yīng)用于這種電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。上世紀(jì)九十年代才現(xiàn)身市 場的絕緣柵雙極晶體管IGBT已成為現(xiàn)代電力電子器件發(fā)展的領(lǐng)頭軍,型號(hào)齊全,已經(jīng)出現(xiàn)了由IGBT組成的功能完善的智能功率模塊IPM。

  IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極晶體管是一種工作原理復(fù)雜的集成半導(dǎo)體器件。在結(jié)構(gòu)上,集成了所有半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)。如二極管、BJT、結(jié)型場效應(yīng)管 JFET、MOSFET、SCR。工藝上利用MOS工藝進(jìn)行大面積功率集成,單元胞的體積越來越小,單元胞的數(shù)量越來越多。IGBT經(jīng)過20年的發(fā)展,技 術(shù)越來越成熟,功能越來越強(qiáng)大。從原來的平面柵型到溝槽型,又發(fā)展到非穿通型,直至現(xiàn)在的電場截至型。達(dá)到了6 000 V/600 A,通態(tài)壓降1.3 V,開關(guān)頻率達(dá)到納秒級(jí)。

  IGBT在大量產(chǎn)品中的良好表現(xiàn),證明其是一種良好的功率開關(guān)器件。其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在開關(guān)頻率高、承載功率大、通態(tài)壓降低、du/dt和di/dt耐量高、動(dòng)態(tài)性能高、反向恢復(fù)快等,這些性能特點(diǎn)使其特別適應(yīng)于在高頻、大功率電路中出任開關(guān)器件的重任。

  3 固態(tài)調(diào)制器硬件組成

  對(duì)分別以氫閘流管和IGBT為中心所構(gòu)成的兩種脈沖調(diào)制器的性能、構(gòu)造、成本、可維性及可靠性進(jìn)行比較。

  3.1 真空管脈沖調(diào)制器

  以氫閘流管ZQM1-350/14型為例,其參數(shù)為14 000 V/350 A,陶瓷外殼,需要12.6 V/6 A的燈絲電源。其關(guān)斷時(shí),高壓電源經(jīng)充電電感和變壓器的原邊給仿真線充電,氫閘流管接通時(shí),仿真線經(jīng)氫閘流管對(duì)變壓器原邊放電,在變壓器的副邊產(chǎn)生高壓脈沖去調(diào)制磁控管。氫閘流調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負(fù)載放電會(huì)在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的,其電阻通常選擇和負(fù)載阻抗相等,而電容的大小可按電路時(shí)間常數(shù)與脈沖前沿時(shí)間大致相當(dāng)來確定。

  充氫閘流管是由陽極、陰極、柵極(控制柵,有的還具有預(yù)點(diǎn)火柵或分壓柵等)組成,將所有電極用絕緣外殼密封,利用低壓氫氣(氘氣)作為工作及滅弧絕緣介 質(zhì),是離子開關(guān)管中的一個(gè)分支,將觸發(fā)脈沖(正極性)加到柵極,使陰-柵間隙產(chǎn)生輝光放電,放電擴(kuò)展到陽柵間隙導(dǎo)致陽柵間隙擊穿導(dǎo)通,使外電路通過陽極- 柵極-陰極放電,而輸出脈沖電流,是具有正啟動(dòng)特性的脈沖電真空器件,具有工作電壓高,脈沖電流大,觸發(fā)電壓低,脈沖寬度窄,電流上升快,點(diǎn)火穩(wěn)定等特 點(diǎn),廣泛應(yīng)用于國防、醫(yī)療、高能激光、科學(xué)研究等領(lǐng)域或場合。

  氫閘流管作為開關(guān)時(shí),開關(guān)的接通是由控制柵極上施加正觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)的。如果閘流管陽極具有足夠高的正向電壓,柵極一旦被觸發(fā),陽極-陰極之間將迅速導(dǎo) 通,柵極就失去了對(duì)放電的控制作用。只有陽極電壓降得很低,不足以維持放電電流時(shí),閘流管才會(huì)截止。閘流管在放電結(jié)束后,要經(jīng)過一段消電離時(shí)間,柵極才能 恢復(fù)原來的控制功能。因此,閘流管脈沖調(diào)制器形成的脈沖波形頂部抖動(dòng)、后沿拖長。

  況且真空管調(diào)制器由于電子管的外圍電路有偏壓、簾柵、 陽極等電源,這些電源是不可缺少且體積龐大的高壓電源。調(diào)制器導(dǎo)通時(shí)的管壓降較大,調(diào)制器效率較低。電子管極間電容的存在很難實(shí)現(xiàn)窄脈沖調(diào)制。另外由于電 子管在真空度變差情況下可能會(huì)出現(xiàn)打火等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響雷達(dá)發(fā)射機(jī)的可靠性。電子管陰極的壽命較短,也制約著電子管在調(diào)制器中的使用。

  全固態(tài)調(diào)制器與電子管調(diào)制器相比具有效率高、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。因此,研究固態(tài)調(diào)制器是一個(gè)極為重要的發(fā)展方向。

  3.2 固態(tài)脈沖調(diào)制器

  固態(tài)脈沖調(diào)制器就是以固態(tài)開關(guān)管IGBT替代電真空管的調(diào)制器。IGBT模塊采用10只IGBT串聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)使用,單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊利用單片機(jī)形成統(tǒng)一的觸發(fā)脈沖,經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊M57962L同步觸發(fā)IGBT網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負(fù)載放電會(huì)在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的,其電阻通常選擇和負(fù)載阻抗相等,而電容的大小可按電路時(shí)間常數(shù)與脈沖前沿時(shí)間大致相當(dāng)來確定。

  該調(diào)制器采用充電電感,屬于直流諧振充電,其自然諧振周期為:

  其中:C0是仿真線的靜電容

  Tch等于調(diào)制器脈沖重復(fù)周期T0兩倍,即調(diào)制器的脈沖重復(fù)頻率是固定的。因此為了適應(yīng)雷達(dá)工作于多種重復(fù)頻率的要求,可在充電電路中串入一只二極管,稱為充電二極管或保持二極管。這時(shí)只要充電電路的Tch值小于最小的脈沖重復(fù)周期就行了。

  VD2和R1稱為過電壓保護(hù)電路,它的作用是防止仿真線上出現(xiàn)過高的電壓而損壞功率管。當(dāng)仿真線向接近短路的負(fù)載放電時(shí),其上的電壓會(huì)變成負(fù)極性,由于 功率管不能反向?qū)щ?,這個(gè)負(fù)極性的電壓不會(huì)消失,在下一個(gè)脈沖重復(fù)周期充電時(shí),這個(gè)電壓與電源電壓的極性一致,所以仿真線將會(huì)充電到一個(gè)較高的電壓值。如 果這時(shí)負(fù)載打火并未消失,那么這一過程將會(huì)繼續(xù)下去。在理論上可以證明,仿真線上的電壓將會(huì)達(dá)到電源電壓的6倍之多。當(dāng)電路中接入VD2和R1之后,只要 仿真線上出現(xiàn)負(fù)極性電壓,就可以通過VD2放掉,從而防止了仿真線上過電壓的產(chǎn)生。

  R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負(fù)載放電會(huì)在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的,其電阻通常選擇和負(fù)載阻抗相等,而電容的大小可按電路時(shí)間常數(shù)與脈沖前沿時(shí)間大致相當(dāng)來確定。

  功率開關(guān)管IGBT采用高速型MG400Q1US41,其參數(shù)為1 200V/400A,其參數(shù)如圖4所示。工程中采用十管串聯(lián)的方法以適應(yīng)高電壓的要求。驅(qū)動(dòng)模塊采用M57962L,其參數(shù)為1 200 V/400 A。

R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負(fù)載放電會(huì)在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的,其電阻通常選擇和負(fù)載阻抗相等,而電容的大小可按電路時(shí)間常數(shù)與脈沖前沿時(shí)間大致相當(dāng)來確定。

  十管串聯(lián)需要保證串聯(lián)的10個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)截止,否則先導(dǎo)通或者后截止的管子就因?yàn)橐惺芨唠妷憾鴵舸?,進(jìn)一步擊穿所有的管子,而形成調(diào)制器故 障,造成不必要的損失。解決的辦法是用單片機(jī)產(chǎn)生一路觸發(fā)脈沖,同時(shí)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)模塊。因?yàn)轵?qū)動(dòng)模塊具有較高的輸入阻抗,因此單片機(jī)的輸出電流足夠同時(shí)觸發(fā)驅(qū) 動(dòng)模塊。10個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊被同時(shí)觸發(fā),因其延遲的一致性,會(huì)使單片機(jī)的觸發(fā)脈沖同時(shí)加到10個(gè)IGBT的柵極。

  根據(jù)調(diào)制器的要求,由單片機(jī)輸出一定重復(fù)頻率的觸發(fā)脈沖經(jīng)接口保護(hù)電路轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)IGBT的柵極。IGBT在柵極有驅(qū)動(dòng)時(shí)接通,無驅(qū)動(dòng)時(shí)關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)了可控的開關(guān)功能。IGBT的動(dòng)態(tài)開關(guān)曲線如圖5所示。

R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負(fù)載放電會(huì)在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的,其電阻通常選擇和負(fù)載阻抗相等,而電容的大小可按電路時(shí)間常數(shù)與脈沖前沿時(shí)間大致相當(dāng)來確定。

  根據(jù)圖4所示IGBT參數(shù)可知,在VOC=600V、VGE=±15V、RG=2.4 Ω、TC=25℃、IC=400 A時(shí),ton=0.25μs,toff=0.7μs。從圖5的UCE-t曲線圖看,IGBT的開關(guān)曲線比氫閘流管的開關(guān)曲線更好,更適合于作為脈沖調(diào)制器的開關(guān)管使用。

  由于單片機(jī)的采用,就可以使調(diào)制器的保護(hù)采用軟件保護(hù),這在減少調(diào)制器的體積與重量方面可以做出重大貢獻(xiàn)。

  單個(gè)固態(tài)調(diào)制器的制造成本比氫閘流管調(diào)制器稍高,但是其使用壽命長,也就是說性價(jià)比高,況且在性能、構(gòu)造、可維性及可靠性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于氫閘流管調(diào)制器。

  4 仿真過程及結(jié)果

  仿真軟件使用流行的SIMNLINK。

  設(shè)觸發(fā)脈沖周期為2 ms,脈沖寬度為2μs,如圖6中的第一示波器(圖 的下部),仿真線前端的波形如圖6中的第二示波器(圖的上部)。由第二示波器可見,當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時(shí),即IGBT網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)通時(shí),仿真線迅速放電,放電速率為 5 000 V/6μs(即從滿電壓5 000 V至放電完成時(shí)間約為6μs),并且無反沖。當(dāng)觸發(fā)脈沖過去時(shí),即IGBT網(wǎng)絡(luò)斷開時(shí),仿真線迅速充電,放電速率為5 000 V/3μs(即從充電開始至滿電壓5 000 V的時(shí)間約為3μs),并且無反沖。

R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負(fù)載放電會(huì)在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的,其電阻通常選擇和負(fù)載阻抗相等,而電容的大小可按電路時(shí)間常數(shù)與脈沖前沿時(shí)間大致相當(dāng)來確定。

  由此可見,由IGBT網(wǎng)絡(luò)替代的脈沖開關(guān),完全能滿足脈沖調(diào)制器的要求,其指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氫閘流管脈沖調(diào)制器。

  5 結(jié)論

  器件固態(tài)化是系統(tǒng)發(fā)展的趨勢,固態(tài)脈沖調(diào)制器正是在這一趨勢的啟發(fā)下提出來的。所設(shè)計(jì)的固態(tài)脈沖調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高的特點(diǎn),可以快速、方便地對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)的脈沖調(diào)制器進(jìn)行改裝。改裝成本低、周期短,具有很高的實(shí)用價(jià)值。

  使用電阻控制IGBT開關(guān)的方法剖析:

  1  前言

  用于控制、調(diào)節(jié)和開關(guān)目的的功率半導(dǎo)體器件需要更高的電壓和更大的電流。功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)動(dòng)作受柵極電容的充放電控制。而柵極電容的充放電通常又受柵極電阻的控制。通過使用典型的+15V控制電壓(VG(on)),IGBT導(dǎo)通,負(fù)輸出電壓為-5V~-15V時(shí),IGBT關(guān)斷。IGBT的動(dòng)態(tài)性能可通過柵極電阻值來調(diào)節(jié)。柵極電阻影響IGBT的開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗及各種其他參數(shù),從電磁干擾EMI到電壓和電流的變化率。因此,柵極電阻必須根據(jù)具體應(yīng)用的參數(shù)非常仔細(xì)地選擇和優(yōu)化。

  2  柵極電阻RG對(duì)IGBT開關(guān)特性的影響

  IGBT開關(guān)特性的設(shè)定可受外部電阻RG的影響。由于IGBT的輸入電容在開關(guān)期間是變化的,必須被充放電,柵極電阻通過限制導(dǎo)通和關(guān)斷期間柵極電流(IG)脈沖的幅值來決定充放電時(shí)間(見圖1)。由于柵極峰值電流的增加,導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間將會(huì)縮短且開關(guān)損耗也會(huì)減少。減小RG(on)和RG(off)的阻值會(huì)增大柵極峰值電流。當(dāng)減小柵極電阻的阻值時(shí),需要考慮的是當(dāng)大電流被過快地切換時(shí)所產(chǎn)生的電流上升率di/dt。電路中存在雜散電感在IGBT上產(chǎn)生大的電壓尖峰,這一效果可在圖2所示的IGBT關(guān)斷時(shí)波形圖中觀察到。圖中的陰影部分顯示了關(guān)斷損耗的相對(duì)值。集電極-發(fā)射極電壓上的瞬間電壓尖峰可能會(huì)損壞IGBT,特別是在短路關(guān)斷操作的情況下,因?yàn)閐i/dt比較大??赏ㄟ^增加?xùn)艠O電阻的值來減小Vstray。因此,消除了由于過電壓而帶來的IGBT被損毀的風(fēng)險(xiǎn)??焖俚膶?dǎo)通和關(guān)斷會(huì)分別帶來較高的dv/dt和di/dt,因此會(huì)產(chǎn)生更多的電磁干擾(EMI),從而可能導(dǎo)致電路故障。表1顯示不同的柵極電阻值對(duì)di/dt的影響。

R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負(fù)載放電會(huì)在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的,其電阻通常選擇和負(fù)載阻抗相等,而電容的大小可按電路時(shí)間常數(shù)與脈沖前沿時(shí)間大致相當(dāng)來確定。

  3  對(duì)續(xù)流二極管開關(guān)特性的影響

  續(xù)流二極管的開關(guān)特性也受柵極電阻的影響,并限制柵極阻抗的最小值。這意味著IGBT的導(dǎo)通開關(guān)速度只能提高到一個(gè)與所用續(xù)流二極管反向恢復(fù)特性相兼容的水平。柵極電阻的減小不僅增大了IGBT的過電壓應(yīng)力,而且由于IGBT模塊中diC/dt的增大,也增大了續(xù)流二極管的過壓極限。通過使用特殊設(shè)計(jì)和優(yōu)化的帶軟恢復(fù)功能的CAL(可控軸向壽命)二極管,使得反向峰值電流減小,從而使橋路中IGBT的導(dǎo)通電流減小。

  4  驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)的設(shè)計(jì)

  柵極驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)是一種典型的設(shè)計(jì),采用了兩個(gè)按圖騰柱形式配置的MOSFET,如圖3所示。兩個(gè)MOSFET的柵極由相同的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí),N通道MOSFET導(dǎo)通,當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí),P通道MOSFET導(dǎo)通,從而產(chǎn)生了兩個(gè)器件推挽輸出的配置。MOSFET的輸出級(jí)可有一路或兩路輸出。據(jù)此可實(shí)現(xiàn)具有一個(gè)或兩個(gè)柵極電阻(導(dǎo)通,關(guān)斷)的用于對(duì)稱或不對(duì)稱柵極控制的解決方案。

R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負(fù)載放電會(huì)在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的,其電阻通常選擇和負(fù)載阻抗相等,而電容的大小可按電路時(shí)間常數(shù)與脈沖前沿時(shí)間大致相當(dāng)來確定。

  5  柵極電阻的計(jì)算

  對(duì)于低開關(guān)損耗,無IGBT模塊振蕩,低二極管反向恢復(fù)峰值電流和最大dv/dt限制,柵極電阻必須體現(xiàn)出最佳的開關(guān)特性。通常在應(yīng)用中,額定電流大的IGBT模塊將采用較小的柵極電阻驅(qū)動(dòng);同樣的,額定電流小的IGBT模塊,將需要較大的柵極電阻。也就是說,IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中所給的電阻值必須為每個(gè)設(shè)計(jì)而優(yōu)化。IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)指定了柵極電阻值。然而,最優(yōu)的柵極電阻值一般介于數(shù)據(jù)手冊(cè)所列值和其兩倍之間。IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中所指定的值是最小值。在指定條件下,兩倍于額定電流可被安全地關(guān)斷。在實(shí)際中,由于測試電路和各個(gè)應(yīng)用參數(shù)的差異,IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中的柵極電阻值往往不一定是最佳值。上面提到的大概的電阻值(即兩倍的數(shù)據(jù)表值)可被作為優(yōu)化的起點(diǎn),以相應(yīng)地減少柵級(jí)電阻值。確定最優(yōu)值的唯一途徑是測試和衡量最終系統(tǒng),使應(yīng)用中的寄生電感最小很重要。這對(duì)于保持IGBT的關(guān)斷過電壓在數(shù)據(jù)手冊(cè)的指定范圍內(nèi)是必要的,特別是在短路情況下。柵極電阻決定柵極峰值電流IGM。增大柵極峰值電流將減少導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,以及開關(guān)損耗。柵極峰值電流的最大值和柵極電阻的最小值分別由驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)的性能決定。

  6  設(shè)計(jì)、布局和疑難解答

  為了能夠經(jīng)受住應(yīng)用中出現(xiàn)的大負(fù)載,柵極電阻必須滿足一定的性能要求并具有一定的特性。由于柵極電阻上的大負(fù)載,建議使用電阻并聯(lián)的形式。這將產(chǎn)生一個(gè)冗余,如果一個(gè)柵極電阻損壞,系統(tǒng)可臨時(shí)運(yùn)行,但開關(guān)損耗較大。選擇錯(cuò)誤的柵極電阻,可能會(huì)導(dǎo)致問題和不希望的結(jié)果。所選的柵極電阻值太大,將導(dǎo)致?lián)p耗過大,應(yīng)減小柵極電阻值。過高的柵極電阻值可能會(huì)導(dǎo)致IGBT在開關(guān)期間長時(shí)間運(yùn)行在線性模式下,最終導(dǎo)致柵極振蕩。然而,萬一電阻的功耗和峰值功率能力不夠,或者使用了非防浪涌電阻,都會(huì)導(dǎo)致柵極電阻過熱或燒毀。運(yùn)行期間,柵極電阻不得不承受連續(xù)的脈沖電流,因此,柵極電阻必須具有一定的峰值功率能力。使用非常小的柵極電阻,會(huì)帶來更高的dv/dt 或di/dt,但也可能會(huì)導(dǎo)致EMI噪聲。

  應(yīng)用(直流環(huán)節(jié))中的電感過大或者使用的柵極電阻小,將導(dǎo)致更大的di/dt,從而產(chǎn)生過大的IGBT電壓尖峰。因此,應(yīng)盡量減小電感或者增大柵極電阻值。為減小短路時(shí)的電壓尖峰,可使用軟關(guān)斷電路,它可以更緩慢地關(guān)斷IGBT。柵極電阻和IGBT模塊之間的距離應(yīng)盡可能短。如果柵極電阻和IGBT模塊之間的連線過長,將會(huì)在柵極-發(fā)射極的通道上產(chǎn)生較大的電感。結(jié)合IGBT的輸入電容,該線路電感將形成一個(gè)LC振蕩電路??珊唵蔚赝ㄟ^縮短連線或者用比最小柵極電阻值RG(min)≥2√Lwire/Cies大的柵極電阻來衰減這種振蕩。

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