IGBT模块的开关损耗与性能的关系以及大功率电源中IGBT电压与驱动能力的关系

时间:2019-6-18 分享到:

IGBT模块的开关损耗与性能的关系以及大功率电源中IGBT电压与驱动能力的关系

IGBT的研制中,要求功率开关器件降低损耗、提高效率、提高性能。开关器件的损耗分为两类,一类是器件的通态正常(导通)损耗;另一类是从通态向断态(从断态向通态,转换的开关损耗。IGBT的主要技术特性有集电极—发射极间饱和电压VCE(sat)特性,开关特性tf(断开时间toff和导通时间ton之和)。IGBT的击穿性能看闭锁性能、短路性能、di/dt、dv/dt性能。

IGBT模块的开关损耗与性能的关系以及大功率电源中IGBT电压与驱动能力的关系

(1)改进开关特性的技术
为改进开关特性所研制的技术主要是使浓度与层的厚度达到最佳化,减少成为储存载流子的空穴,使IGBT 特有的集电极电流拖尾减少。通过单元图形的最佳化减少输入阻抗RG,使功率MOSFET部分栅极电荷充放电时间高速化,在高速化功率器件的基础上所采用的技术是缩短载流子的寿命时间。作为寿命时间限制方法一般常采用重金属扩散和电子射线照射等方法,通过寿命时间的控制可以控制IGBT集电极电流Ic的关断特性。,降低功率MOSFET部分的栅极电容量,可使充放电时间达到高速化。
(2)降低 VCE( sat)技术
降低VCE(sat)技术是通过浓度、层的厚度及深度的最佳化来降低电阻部分,借助精细化,提高单位面积的电流密度,使Lg与Ls比达到最佳化,扩大功率MOSFET部的反型层(沟道))单位芯片面积,减少沟道电阻。
利用开关特性的改进技术,加大寿命时间限制量,开关特性能实现高速化,在IGBT中,VCE(sat)与开关特性tf处于相关关系中,借助寿命时间控制,在该相关关系上可以找到所需要的任意工作状态。
(3)提高性能技术
为提高IGBT击穿性能,采用IGBT提高性能的技术,抑制了IGBT内部寄生NPN 晶体管工作及IGBT内部电场和电流的集中,使IGBT击穿性能得以提高。

IGBT模块的开关损耗与性能的关系以及大功率电源中IGBT电压与驱动能力的关系

IGBT作为电压控制型开关器件,IGBT的开关由栅极的电压控制。大家都知道栅极电压升高,IGBT导通,栅极电压低,IGBT关断。但是使用的时候还是很容易忽略栅极导通电压的高低对IGBT导通特性的影响。
  IGBT和MOS管一样,N沟道IGBT的导通依靠栅极吸引P型半导体的电子形成N沟道达到导通的效果,只是IGBT把这个导通效果进行了放大以达到大电流开关的目的。也就是说只要栅极的电压越高,N沟道的电子也就越多,IGBT的通流能力越大。作为典型的大功率开关器件,为了提高电流控制能力,IGBT要求导通的时候栅极电压越大越好。但是由于工艺的限制,一般的IGBT栅极耐压只能做到20V。为了驱动的安全,大部分的IGBT厂家将IGBT的标准导通电压设定为了15V。
  设计IGBT驱动器的时候,要有一个提供驱动能量的隔离电源。电源的一般特性为,当输出电流提高时,由于线路阻抗的影响,负载端的实际接收电压就会降低。也就是说,同样一个驱动器,如果驱动一个50A的IGBT时驱动电压是15V,那么同样频率下驱动一个200A的IGBT时驱动电压就可能只有13V。而IGBT在13V的驱动电压下显然不能有效控制200A的电流,可能只能正常控制150A的电流。这时就会感觉到这个IGBT驱动器的驱动能力不足了。因此,限制一个驱动器的驱动能力的因素大部分时候不是由于驱动器的驱动电流不足,而是驱动电源的电压下降导致驱动电压不足。
  还有一种情况就是,现有的隔离电源正电压一般采用标准电压15V输出。后端加了驱动电路后,由于驱动电路驱动管的压降,驱动器本身的输出电压就会比供电电源电压低。这时就会进一步加剧驱动能力不足的现象。
  为了充分发挥驱动器的驱动能力,一般在设备调试的时候,要让IGBT驱动器的满载驱动电压控制在15V左右。实现的方法为给驱动电路一个可以调节输出电压的电源。
  大功率开关电路多为三相全桥电路,一般100A的IGBT驱动电源输入功率不会超过3W,那么三相六个IGBT的驱动功率就不超过18W。由于每个隔离驱动电源的功率很小,并且存在很强的共模干扰,因此不允许使用稳压电源。这时可以用一个VRB2415LD-20WR2给六个IGBT驱动电源统一供电。这样既保证了电源总线电压的波动不会影响IGBT驱动电源的供电,同时使用VRB2415LD-20WR2的Trim脚可以对输出电压进行微调,从而实现IGBT驱动电压的最终调整。
  这里需要注意的是,选用的IGBT隔离驱动电源应当有输出电压可以跟随输入电压变化的特性,比如QA电源系列的QA01配合VRB2415LD-20WR2给IGBT驱动器供电时就可以很好的调整驱动器的驱动电压。
  以上的内容,就是IGBT电压与驱动能力的关系,以及对应的调节方法。文中介绍的这套方法主要是针对大功率电源的,在有IGBT参与的大功率电源设计中,大家可以留意一下在驱动方面的调节方法。希望大家在阅读过本文之后能够有所收获。
IGBT模块的开关损耗与性能的关系以及大功率电源中IGBT电压与驱动能力的关系
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