igbt的栅极特性和sid11x2k案例分析

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1、IGBT的栅极特性和SID11x2K案例分析IGBT的栅极通过一层氧化膜与射极实现电隔离。由于此氧化层很薄,其击穿电压一般只能达到20～30V,因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅-集极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此,通常采用绞线来传送驱动信号,以减小连线电感。在栅极连线中串联小阻值电阻或小磁环也可以抑制不希望的振荡电压。在栅-射极间并联反串联的稳压管或旁路电阻也是吸收栅极过电压的有效措施。IGBT的栅-射和栅-集极间存在着电容C

2、GE和CGC,在它的射极回路中存在着漏电感LE,由于这些分布参数的影响,使得IGBT的驱动波形与理想驱动波形产生了较大的变化,并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。这可以用带续流二极管的电感负载开关电路(见图1)来得到验证。如图1所示为IGBT的开关电路和开通波形。在t0时刻,栅极驱动电压开始上升,此时影响栅极电压UGE上升斜率的主要因素只有RG和CGE,栅极电压上升较快。在t1时达到IGBT的栅极门槛电压,集电极电流开始上升。从此时开始有2个原因使UGE波形偏离原有轨迹。首先是射极杂散电感LE上的感应电压,此电压随着集电极电流iC的增

3、加而增大,它抵消了外加的栅极驱动电压,并且降低了直接加在栅-射端的电压UGE的上升率。这是一个负反馈的作用,集电极电流的增加使LE产生1个抵消栅极电压的电压,并减缓了集电极电流的增长。另一个影响栅极驱动电压的因素是栅-集电容CGC的“密勒”效应。t2时刻时,集电极电流达到最大值,集-射电压UCE开始下降。集-射电压UCE的下降使栅-集电容CGC放电,在驱动电路中增加了CGC的容性电流,使得在驱动电路内阻抗上的压降增加,造成栅-射电压UGE降低。显然,栅极驱动电路的阻抗越低,这种效应越弱,此效应一直维持到t3集-射电压UCE降到零为止。它造

4、成的UGE降低同样延缓了IGBT的开通过程。在t3时刻后,UCE的下降结束,ic达到稳态值,影响栅极电压UGE的因素消失,此后UGE以较快的上升率达到最大值。由图1中波形可以看出,由于LE和CGC的存在,在IGBT的实际运行中UGE的上升率减缓了许多,这种阻碍驱动电压上升的效应,表现为对集电极电流上升及开通过程的阻碍。为了减缓此效应,应使IGBT模块的LE、CGC及栅极驱动源的内阻尽量小,以获得较快的开通速度。IGBT关断时的波形如图2所示。t0时刻栅极驱动电压开始下降,在t1时刻达到刚能维持集电极电流的水平,IGBT进入线性工作区,UC

5、E开始上升。此时,栅-集极电容CGC的密勒效应支配着UCE的上升率,因CGC耦合充电作用,使得UGE在t1～t2期间基本保持不变,在t2时,UCE下降完毕,UGE和iC开始以栅-射极电路固有的阻抗所决定的速度下降,在t3时,UGE及iC均降为零,关断过程结束。由图2可以看出,由于IGBT的密勒电容CGC的存在,使得IGBT的关断过程也减缓了许多。为了减小此影响,一方面应选择CGC小的IGBT元件;另一方面应减小驱动电路的内阻抗,使流入栅-集电容CGC的充电电流增加,加快了UCE的上升速度。以上对IGBT开关过程中的栅极驱动波形进行分析,而

6、在实际应用中IGBT栅极驱动电压的幅值也有着较大的影响。正栅极电压决定着IGBT的饱和导通压降,随着正栅极驱动电压的增加,饱和导通压降减小。由于饱和导通压降是IGBT发热的主要损耗之一,因此必须尽量减小以获得较高的运行效率。通常+UGE为15～18V,若+UGE过高,容易因栅极电压的振荡造成栅极击穿,因此栅极驱动电压+UGE一般取15V。IGBT关断时给其栅-射极施加一定的负偏压,有利于提高IGBT装置的抗干扰能力,对提高IGBT关断时能承受的电压上升率也有较大的作用。IGBT栅—射极间所加的负偏压通常取5～10V。有些厂家认为它们的IG

7、BT元件有较强的抗干扰能力,也可不加负偏压。但在IGBT关断时,施加适当的负偏压一般不会有不利的影响。应用实例：电机控制器是电动汽车的关键部件。在电机控制器中，驱动芯片作为控制电路与IGBT之间的中间环节承担着驱动信号放大、检测信号反馈等工作。SID11x2K是PowerIntegration公司推出的新款IGBT驱动芯片，可驱动电机逆变器。如图所示为电机运行的拓扑图。六个IGBT组成一个逆变器，分三个桥臂，每个桥臂提供电机的一路电流，每个IGBT由SID11x2K驱动芯片控制其开通和关断。SID11x2K是采用标准eSOP封装的单通道I

8、GBT和MOSFET驱动器。该器件利用PowerIntegrations创新的固体绝缘FluxLink技术实现了加强电气绝缘。其峰值输出驱动电流可达8A，可直接驱动450A（典型值）的开关器件