IGBT模塊應用中過電壓的有效抑制

2019-11-23 18:49:12 131
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1. 前言
  超快速的IGBT模塊具有非常短的上升時間和下降時間,對應很小的開關損耗,通常用于20kHz以上頻率的開關電源,應用中常常因寄生電感產生過電壓,為了抑制過電壓:一是模塊的設計者優化模塊內部結構,減少模塊寄生電感;二是使用者優化主電路結構,減少電路中的寄生電感;三是采用吸收電路和增加柵極電阻等方法。采用吸收電路和增加柵極電阻方法都會增加開關損耗或外圍器件的損耗。本文采用一種新方法,保持器件的快速開關特性,在Uce達到母線電壓之前減小dv/dt,使IGBT模塊開關損耗降為最小,同時抑制了過電壓。
 
  2設計考慮
  在電路布線寄生的雜散電感是所有開關電源中的一個關鍵問題,在功率只有幾瓦的小電源上,一個快速的關斷過程就會引起與所儲能量和開關速度成比例的過電壓沖擊。對于大功率電源來說,需要選擇有較大富余量的器件抑制過電壓,增加了整機的成本。高的開關電壓也會增加導通損耗,降低整機效率。所以,我們面臨的問題就是如何在提高開關速度并保持高效的同時,避免大的過電壓沖擊及由此引發的其他問題。
 
  3IGBT關斷時的過電壓
  完全消除雜散電感是不可能的,關斷時總會有過電壓。顯然,線路寄生雜散電感應最大限度地減小,有許多方法可以實現。封裝在模塊內的器件的結構決定了電感的大小,模塊電感的大小反映器件制造者對電感問題的理解程度及在設計上考慮的多少。減小線路電感可以通過縮小整個電路有效回路的面積來實現,而最有效的方法就是采用分層布線結構。這樣,線路儲能大大減小,在給定的開關速度下,過電壓將會大大降低。另外,在整個線路上多加些退耦電容會進一步減小線路電感,但這些電容必須是低阻抗和低感抗的。有許多方法可以抑制過電壓尖峰,它們都會增加開關器件的耗散功率。一種方法就是增加柵極串聯電阻Rg來抑制dv/dt,使開關速度減慢,可以分別針對開通和關斷,顯著減小過電壓尖峰,同時增加了開關損耗。圖1顯示了在1個360V/200A線路中使用的600V/200A的超快速IGBT模塊的關斷過程產生過電壓尖峰的情況。由于Rg(on)對開通影響不大,可以忽略。Rg(off)分別為08、108、158、208、308,表1給出了開關損耗的遞增情況。

表1 開關損耗遞增情況
開關損耗遞增情況 

 

600V/200A超快速IGBT模塊關斷過電壓隨Rg(off)變化曲線示意圖 
圖1 600V/200A超快速IGBT模塊關斷過電壓隨Rg(off)變化曲線示意圖

 
  如圖1所示,Rg(off)增加到108時,開關損耗增加了1倍,而尖峰電壓只降低了13%。這樣600V的器件就可以工作在一個合理的安全范圍內,其代價就是降低了效率。
 
  4. 抑制過電壓的新方法
  理想的情況是在Uce達到主電路電壓之前控制dv/dt,使器件盡可能地快速關斷(包括抑制反并聯二極管的dv/dt),然后抑制dv/dt,減小過電壓尖峰,這樣就可以做到超快IGBT模塊工作在最小開關損耗的同時也減小了過電壓尖峰。實現此過程的基本方法就是在關斷時以08的門極阻抗釋放門極電荷,如果dv/dt太高的話,可以以1個小的門極阻抗值釋放門極電荷,直到Uce達到主電路電壓值。然后將門極釋放路徑切換到另一個高阻抗的通路。圖2給出了一個實現此過程的方法。用此方法,輸入驅動信號直接通過VD8旁路掉R3,獲得快的上升時間。Q1和Q2的柵極輸入正信號,Q1關斷和Q2導通,將Q3和Q4的柵極電位降到地,使Q3導通和Q4關斷。Q3的漏極電流通過R1注入IGBT門極,IGBT處于開通狀態。Q5的柵極與輸入驅動信號相連,在IGBT導通期間Q5是關斷的。關斷IGBT時,Q1導通和Q2關斷,Q3和Q4柵極電位抬高,Q3關斷和Q4導通。在同一時刻,Q5柵極電位降低,Q5導通。IGBT門極電荷立刻通過R4釋放,可以使R4短路釋放或依據IGBT的dv/dt參數設置一定的電阻值釋放。Uce開始上升。

抑制過電壓電路原理圖 
圖2 抑制過電壓電路原理圖
新電路改變Rg過電壓變化曲線示意圖 
圖3 新電路改變Rg過電壓變化曲線示意圖

 
  當IGBT集電極電壓上升到齊納二極管VD1的擊穿電壓時,VD1導通,電流通過C1注入Q5柵極,關斷Q5。此脈沖非常窄,足以關斷Q5。當Q5不再泄放IGBT門極電荷時,門極電荷通過R2釋放,減慢關斷速度,減小了過電壓尖峰。齊納二極管VD2參數選為12~15V,防止IGBT門極被擊穿。圖3給出了新電路改變Rg過電壓變化曲線示意圖。圖4給出了此線路中選用不同Rg(off)=R4=R2電阻值的試驗線路。表2給出了相應的關斷能量損耗Eoff值。試驗線路中若選用R2>R4或R2更大,R4更小,其關斷損耗會接近6mJ,實現抑制過電壓減少損耗更為理想。

選用不同的Rg(off)=R4=R2電阻值的試驗線路圖 
圖4 選用不同的Rg(off)=R4=R2電阻值的試驗線路圖

 
  5結論
  在開關電源線路中,超快速IGBT模塊的內部結構減少寄生電感是重要的;主電路結構優化設計,多層布線方法減少寄生電感更為重要。

表2 開關能量損耗Eoff
開關能量損耗Eoff值 

  抑制過電壓的新方法可以做到在不受dv/dt限制的情況下降低過電壓尖峰,IGBT的開關損耗降低了一半。


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