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如何抑制IGBT集電極過(guò)壓尖峰

發(fā)布時(shí)間:2022-08-18 來(lái)源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在過(guò)去的文章中,我們?cè)?jīng)討論過(guò)IGBT在關(guān)斷的時(shí)候,集電極會(huì)產(chǎn)生電壓過(guò)沖的問(wèn)題(回顧:IGBT集電極電壓超過(guò)額定電壓會(huì)發(fā)生什么?)。


IGBT關(guān)斷時(shí),集電極電流Ic迅速減小到0,急劇變化的di/dt流經(jīng)在系統(tǒng)雜散電感,產(chǎn)生感應(yīng)電壓ΔV。ΔV疊加在母線(xiàn)電壓上,使IGBT承受高于平常的電壓應(yīng)力。哪怕這電壓尖峰時(shí)間很短,也可能對(duì)IGBT造成永久性損壞。


di/dt與IGBT芯片特性有關(guān),也與關(guān)斷時(shí)器件電流有關(guān)。當(dāng)器件在短路或者過(guò)流狀態(tài)下關(guān)斷時(shí),集電極電壓過(guò)沖會(huì)格外大,有可能超過(guò)額定值,從而損壞IGBT。


所以如何抑制關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰,是一個(gè)值得探討的話(huà)題。


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從集電極過(guò)沖電壓計(jì)算公式:


V=Ls*di/dt


我們可以看出,降低電壓過(guò)沖有兩條路:


1. 降低系統(tǒng)雜散電感

2. 減小電流,從而降低電流變化率di/dt

3. 驅(qū)動(dòng)慢一些,從而降低電流變化率di/dt


要降低系統(tǒng)雜感,是一個(gè)系統(tǒng)層面的問(wèn)題,這個(gè)我們單開(kāi)題再說(shuō)。


但降低電流變化率di/dt會(huì)增加關(guān)斷損耗,如何解決這樣矛盾呢?


本文主要想從驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的角度,探討一些降低電流變化率,從而抑制電壓過(guò)沖的方法。


降低電流變化率,很多人想到的第一個(gè)辦法是增加門(mén)極電阻,但這一方法并不總是有用,尤其是對(duì)FS+trench stop的技術(shù)。略微增加門(mén)極電阻甚至可能增加di/dt,當(dāng)門(mén)極電阻增加到非常大的時(shí)候,才會(huì)降低di/dt。一味地增加門(mén)極關(guān)斷電阻,會(huì)顯著增加關(guān)斷損耗,因此這種方法并不可取。


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IGBT4的關(guān)斷波形改變門(mén)極電阻,集電極過(guò)電壓并沒(méi)有明顯變化


那么除了增加門(mén)極電阻,還有什么辦法可以降低di/dt?從驅(qū)動(dòng)角度看,有三種辦法:


1 兩電平關(guān)斷


兩電平關(guān)斷的思路是在關(guān)斷過(guò)程中減慢關(guān)斷速度,減少di/dt,從而把關(guān)斷過(guò)電壓降低到一個(gè)合理的值。當(dāng)IGBT被 關(guān)斷時(shí),柵極電壓不是直接降低到0V或者負(fù)電壓,而是在很短的時(shí)間內(nèi),柵極電壓先降到UTLTO,這個(gè)電壓低于正常導(dǎo)通電壓,但是高于米勒平臺(tái)的電壓。然后再?gòu)腢TLTO降低到0V或者是負(fù)電壓。一般來(lái)說(shuō),UTLTO可以選擇9~14V之間的電壓,UTLTO的電壓和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)。


兩電平關(guān)斷功能可集成在IGBT驅(qū)動(dòng)芯片中,比如1ED020I12-FT。兩電平關(guān)斷的電壓和持續(xù)時(shí)間通常用一個(gè)電容CTLTO或者電容與電阻的結(jié)合體來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電容充電達(dá)到一個(gè)特定的值,就會(huì)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)UOUT,如果輸入信號(hào)Uin比設(shè)定的tTLTO短,輸入信號(hào)通常會(huì)被抑制,而輸出信號(hào)會(huì)保持不變。


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下圖給出了有無(wú)TLTO功能的關(guān)斷短路電流對(duì)比。圖a沒(méi)有使用TLTO技術(shù)而關(guān)掉了短路,而圖b顯示應(yīng)用了TLTO關(guān)斷的波形。能很清楚地看到,柵極電壓和發(fā)射極-集電極電壓中的強(qiáng)烈振蕩明顯減輕,更重要的是產(chǎn)生的過(guò)電壓降低了。在這個(gè)例子中,圖a中出現(xiàn)了1125V的峰值電壓。在圖b所示的測(cè)量方法中,電壓只有733V(在每個(gè)例子中直流母線(xiàn)電壓為400V,且都使用了一個(gè)400A/1.2kV的IGBT)。


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(a)沒(méi)有TLTO功能


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(b)有TLTO功能


兩電平關(guān)斷功能可以集成在驅(qū)動(dòng)芯片中。傳統(tǒng)的集成兩電平關(guān)斷功能的IGBT驅(qū)動(dòng)器IC如下圖所示。TLSET引腳外接一個(gè)肖特基二極管和一個(gè)電容,肖特基二極管用來(lái)設(shè)定兩電平關(guān)斷的電壓;而電容用來(lái)設(shè)定兩電平關(guān)斷的時(shí)間。


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1ED020I12_BT/FT


而英飛凌最新推出的X3 Enhanced 驅(qū)動(dòng)芯片, 1ED38X1MX12M,不需要外接電容電阻,只通過(guò)數(shù)字化的配置,即可設(shè)置兩電平關(guān)斷的電平及持續(xù)時(shí)間, 可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)及BOM。


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1ED38X1MX12M


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1ED38X1MX12M 兩電平關(guān)斷時(shí)序圖


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1ED38X1MX12M兩電平判斷參數(shù)設(shè)置檔位


2 軟關(guān)斷


軟關(guān)斷能夠保證短路狀態(tài)下的安全關(guān)斷。如果驅(qū)動(dòng)檢測(cè)到短路,軟關(guān)斷功能不是用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)斷電阻將IGBT的柵極電壓拉低至0V或者負(fù)電壓,而是使用一個(gè)相對(duì)高的阻抗來(lái)釋放門(mén)極電流,該阻抗能夠延遲柵極電容的放電,使IGBT關(guān)斷速度變慢。一旦柵極電壓降低到某個(gè)值(例如2V),高阻抗就會(huì)被一個(gè)低阻抗 短路,這樣可以確保快速而完全地給柵-射極電容放電。軟關(guān)斷的原理如下圖所示。


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具有軟關(guān)斷功能的IGBT驅(qū)動(dòng)有英飛凌1ED34X1MX12M、1ED38X1MX12M,這兩款芯片分別通過(guò)模擬和數(shù)字的方式來(lái)配置軟關(guān)斷電流,均有多達(dá)16檔的軟關(guān)斷電流檔位可選擇。


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1ED34X1MX12M


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1ED38X1MX12M


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1ED3431的軟關(guān)斷電流調(diào)節(jié)檔位


3 有源鉗位


又稱(chēng)為集射極鉗位,下面是有源鉗位的典型實(shí)現(xiàn)方式:


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有源鉗位的原理是:在關(guān)斷的過(guò)程中,IGBT  CE間因?yàn)閐i/dt產(chǎn)生電壓尖峰。只要集電極處的電位超過(guò)了二極管VD1的雪崩電壓, 單向的TVS二極管VD1就會(huì)導(dǎo)通且通過(guò)電流。電流I1流過(guò)VD1,VD2,RG和VT2,如果在柵極電阻Rg上產(chǎn)生的壓降高于IGBT的閾值電壓Vth,則IGBT再次開(kāi)通,從而降低了關(guān)斷過(guò)程中的di/dt。因此,為了增加?xùn)艠O電壓,必須產(chǎn)生足夠的電流。


如果IGBT外部柵極電壓為1ohm,柵極電壓為-15V, 而閾值電壓為6V,為了再次開(kāi)通IGBT,必須使有源鉗位的電流大于21A,因此TVS二極管VD1和阻斷二極管VD2必須滿(mǎn)足21A脈沖電流的需求。此外,TVS管必須是高壓二極管,常用的系列型號(hào)為1.5KExxx


但此種電路也有缺點(diǎn),如擊穿電壓與溫度密切相關(guān),而且阻斷二極管結(jié)電容較大,IGBT開(kāi)關(guān)時(shí),位移電流會(huì)被du/dt額外加大。


另一個(gè)更簡(jiǎn)潔的方法是把信號(hào)反饋到驅(qū)動(dòng)推挽電路之前,如下圖:


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電流I2通過(guò)阻斷二極管VD5、電阻R2和MOSFET VT8。電阻R2比RG的阻值 要高很多,所以只要電流I1有一部分流出就能產(chǎn)生足夠的電壓來(lái)打開(kāi)VT5和關(guān)閉VT6。一旦VT5導(dǎo)通,I1不再通過(guò)柵極電阻RG,而是對(duì)輸入電容CGE充電。所有這些對(duì)電路有如下好處:


1. 因?yàn)橥ㄟ^(guò)二極管的電流很低,可以用更便宜的TVS SMD二極管。

2. 所需要的空間僅由爬電距離和電氣間隙來(lái)決定。

3. 電路反應(yīng)非???。


以上是幾種普遍使用的集電極電壓尖峰抑制的方法。其中有源鉗位需要高壓二極管,附加成本較高;兩電平關(guān)斷可集成在驅(qū)動(dòng)芯片中,傳統(tǒng)方案僅需在驅(qū)動(dòng)芯片外加二極管和電容,而最新的英飛凌1ED X3 digital版本芯片,不需外接器件即可實(shí)現(xiàn)兩電平關(guān)斷的參數(shù)調(diào)節(jié)。并且,1ED X3 analog/digital芯片還集成了軟關(guān)斷功能,無(wú)需外圍器件,即可實(shí)現(xiàn)16檔軟關(guān)斷電流的調(diào)節(jié)。


來(lái)源:英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體,作者:趙佳  



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