IGBT模塊的工作原理和保證IGBT的安全工作條件

IGBT模塊的工作過程分為開通和關斷兩大階段:
IGBT的開通過程按時間可以分為四個過程,如下:
第一, 門射電壓Vge小于閥值電壓Vth時。其門極電阻RG和門射電容CGEI的時間常數決定這一過程。當器件的集電極電流IC 和集射電壓VCE均保持不變時，CGEI就是影響其導通延遲時間tdon的唯一因素。
第二, 當門射電壓Vge達到其閥值電壓時，開通過程進入第二階段，IGBT開始導通，其電流上升速率 dI/dt的大小與門射電壓Vge 和器件的跨導gfs有如下關系: dIc/dt = gfs(Ic)*dVge/dt
其中，dVge/dt由器件的門極電阻Rg和門射電容CGEI所決定 (對于高壓型IGBT來說，門集電容Cgc可忽略不計)。
第三, 第三階段從集電極電流達到最大值ICmax(FWD的逆向峰值電流IRM 加上負載電流IL)時開始，克服反向電壓VR使二極管截止，此時IGBT的集射電壓Vce開始下降，隨著Vce的下降，電壓可控的門集之間的場電容容抗Cgc成近百倍增大。當門射驅動電壓保持恒定時，所有的門極電流都被投入到對增長的Cgc的放電上。因此，本階段的導通受門極電阻和場電容的時間常數所影響。該時間常數決定器件的電壓變化速率 dVce/dt 并對器件的導通損耗造成很大的影響。
第四, 開通之后，器件進入穩定的導通狀態。
對dIc/dt和 dVce/dt的控制場電容增加，門射電容減少，這樣的IGBT若使用一般的”R”-門極驅動，將導 致dI/dt值的增加和dV/dt值的減少。dI/dt 的增大引起在FWD反向恢復其間器件承受較高的壓力以及由二極管的恢復而可能出現較高的負dI/dt值，從而在雜散電感的作用下導致器件過壓。而低的dV/dt值引起高的開關損耗。因而唯有通過改變門極電阻Rg的大小來均衡才能化解dI/dt與dV/dt大小的沖突。RG的取值務必保證dIc/dt的調節始終處于器件的安全工作區內，但這樣一來dV/dt的值就會很低導致開通損耗不能接受。因此，解決的方法是采用”RC”門極驅動，即在IGBT的門射之間再接入附加電容Cge。通過該電容來調節上述開通第二過程中門射電壓和電流變化率dIc/dt的上升，不過，Cge對開通的第三過程沒什么影響，因為沒有引起dVge /dt的改變。dVce/dt升高使得器件的開通損耗減少，控制門極電阻使FWD上的dV/dt的變化值不超過其臨界值。門極電阻Rg確定之后，就可通過調節外接的Cge來設定合適的dIc/dt值。采用”RC”-門極驅動的結果，dIc/dt 的設定值約為5kA/μs,而不同的dVce/dt值由不同的RC值所決定。適當地選擇RC值可使器件的開通損耗大量降低甚至超過50%。

IGBT模塊的關斷:
IGBT不一定要加負壓，0V也可以關斷，只是加負壓關斷更快，而且可以防止上下半橋相互影響，避免直通。比如上半橋開通時，下半橋的門極由于米勒電容的存在，會使門極電壓抬升，且開通越快，抬升越高，當門極電壓采用0V關斷時，有可能抬升超過門檻電壓Vgeth而使IGBT導通，此時就會發生上下直通，而如果是采用負壓關斷，因為下半橋在關斷時門極電壓是負的，比如-5V，那么抬升的部分跟負壓相抵，很難抬升到門檻電壓，就避免了上下直通的風險。另外，采用負壓關斷，關斷時由于負壓的存在，使得關斷速度更快，可以減小關斷損耗。
①驅動電路：由于IGBT的UCE(sat)和短路耐量之間的折衷關系，建議將柵極電壓選為+UG＝15V±10%，—UG =5~10V。柵極電阻與IGBT的開通和關斷特性密切相關，RG小時開關損耗減少，開關時間縮短，關斷脈沖電壓增大。應根據浪涌電壓和開關損耗的最佳折衷關系（與頻率有關）選擇合適的RG值，一般選為10~27Ω。為防止柵極開路，在柵極與發射極問并聯20~30kΩ的電阻。
②保護電路： IGBT模塊使用在高頻時，布線電感容易產生尖峰電壓，必須注意布線電感和組件的配置。應設的保護項目有：過電流保護、過電壓保護、柵極過壓及欠壓保護、安全工作區、過熱保護。
③ 吸收電路：由于IGBT開關速度快，容易產生浪涌電壓，所以必須設有浪涌鉗位電路。
④IGBT 并聯使用時應考慮柵極電路的線路布線、電流不平衡和器件之間的溫度不平衡等問題。

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