IGBT模块工作原理和 IGBT模块发热问题

时间:2019-6-12 分享到:

 IGBT模块的工作过程分为开通和关断两大阶段:
IGBT的开通过程按时间可以分为四个过程,如下:
第一, 门射电压Vge小于阀值电压Vth时。其门极电阻RG和门射电容CGEI的时间常数决定这一过程。当器件的集电极电流IC 和集射电压VCE均保持不变时,CGEI就是影响其导通延迟时间tdon的唯一因素。
第二, 当门射电压Vge达到其阀值电压时,开通过程进入第二阶段,IGBT开始导通,其电流上升速率 dI/dt的大小与门射电压Vge 和器件的跨导gfs有如下关系: dIc/dt = gfs(Ic)*dVge/dt
其中,dVge/dt由器件的门极电阻Rg和门射电容CGEI所决定 (对于高压型IGBT来说,门集电容Cgc可忽略不计)。
第三, 第三阶段从集电极电流达到最大值ICmax(FWD的逆向峰值电流IRM 加上负载电流IL)时开始,克服反向电压VR使二极管截止,此时IGBT的集射电压Vce开始下降,随着Vce的下降,电压可控的门集之间的场电容容抗Cgc成近百倍增大。当门射驱动电压保持恒定时,所有的门极电流都被投入到对增长的Cgc的放电上。因此,本阶段的导通受门极电阻和场电容的时间常数所影响。该时间常数决定器件的电压变化速率 dVce/dt 并对器件的导通损耗造成很大的影响。
第四, 开通之后,器件进入稳定的导通状态。
对dIc/dt和 dVce/dt的控制场电容增加,门射电容减少,这样的IGBT若使用一般的”R”-门极驱动,将导 致dI/dt值的增加和dV/dt值的减少。dI/dt 的增大引起在FWD反向恢复其间器件承受较高的压力以及由二极管的恢复而可能出现较高的负dI/dt值,从而在杂散电感的作用下导致器件过压。而低的dV/dt值引起高的开关损耗。因而唯有通过改变门极电阻Rg的大小来均衡才能化解dI/dt与dV/dt大小的冲突。RG的取值务必保证dIc/dt的调节始终处于器件的安全工作区内,但这样一来dV/dt的值就会很低导致开通损耗不能接受。因此,解决的方法是采用”RC”门极驱动,即在IGBT的门射之间再接入附加电容Cge。通过该电容来调节上述开通第二过程中门射电压和电流变化率dIc/dt的上升,不过,Cge对开通的第三过程没什么影响,因为没有引起dVge /dt的改变。dVce/dt升高使得器件的开通损耗减少,控制门极电阻使FWD上的dV/dt的变化值不超过其临界值。门极电阻Rg确定之后,就可通过调节外接的Cge来设定合适的dIc/dt值。采用”RC”-门极驱动的结果,dIc/dt 的设定值约为5kA/μs,而不同的dVce/dt值由不同的RC值所决定。适当地选择RC值可使器件的开通损耗大量降低甚至超过50%。

IGBT模块的关断:
IGBT不一定要加负压,0V也可以关断,只是加负压关断更快,而且可以防止上下半桥相互影响,避免直通。比如上半桥开通时,下半桥的门极由于米勒电容的存在,会使门极电压抬升,且开通越快,抬升越高,当门极电压采用0V关断时,有可能抬升超过门槛电压Vgeth而使IGBT导通,此时就会发生上下直通,而如果是采用负压关断,因为下半桥在关断时门极电压是负的,比如-5V,那么抬升的部分跟负压相抵,很难抬升到门槛电压,就避免了上下直通的风险。另外,采用负压关断,关断时由于负压的存在,使得关断速度更快,可以减小关断损耗。

IGBT模块发热的原因
由于IGBT模块在IGBT变流器工作过程要产生功率损耗即内损耗,内损耗引起发热,温度上升,IGBT温度高低与器件内损耗大小、芯片到环境的传热结构、材料和器件冷却方式以及环境温度等有关。当发热和散热相等时,器件达到稳定温升,处于均衡状态,即稳态。器件的芯片温度不论在稳态,还是在瞬态,都不允许超过器件的最高允许工作温度,即IGBT结温,否则,将引起器件电或热的不稳定而导致器件失效。

IGBT模块发热,效率低解决方法
1、减小栅极电阻,可加快开关器件通断,减小开关损耗从而降低温度,但不要太小 具体需要调试;
2、加适当阻容吸收电路;
3、检查硅胶涂抹、即散热片、风扇等问题。

版权所有:https://www.shgopi.cn 转载请注明出处