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最小化半桥式马达控制应用中的IGBT击穿电流
 

【作者: JunHo Lee】2015年09月21日 星期一

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半桥式电路中的IGBT尤其常见于马达控制应用。图腾柱式(totem pole)布局创造出一种需要最佳栅极电阻设计的场景。优化步骤是基于开关功耗、产生的EMI,击穿电流和故障触发之间的权衡。所有这些因素都随应用环境变化,包括汇流排电压和开关电流量,这些综合起来确定IGBT的大小。 IGBT的大小决定器件的寄生元件,包括相关电容。一旦知道了寄生和系统参数,就可以选择最佳的栅极电阻值。


在设计半桥式布局中的栅极驱动时,应认真考虑图1中Rg_on和Rg_off 的值。较低的Rg_on值会使IGBT 的速度更快,因此能够减少开关能耗。由于开关时间减少,高电压和高电流状况持续的时间较短。然而,快速开关速度可能会产生一些负面效应,如EMI 增加,并可能会出现意外的击穿电流。在这些负面效应中,本文将介绍的是意料之外的击通电流。如图1所示,该击穿电流会透过将相反IGBT 栅极充电至超过阈值电压的点而导致寄生导通。当一个IGBT 导通时,会对相反IGBT 栅极施加上升的dvce/dt 电压。上升电压为米勒电容 (Cgc) 充电。因此,充电电流可透过下列方程式描述︰


Eq. Icharging = Cgc X dvce/dt


该电流流入栅极电容Cge和Rg_off,如图1中的蓝线所示。基于Rg_off、Cge和电流,会在IGBT 的栅极和射极两端产生一个电压。如果栅极-射极电压高于IGBT 栅极-射极阈值电压(VGEth),则产生击穿电流,如图1中的红线所示,并绘制出绿色波形,如图2所示。



图1 : C?dv/dt电流和寄生导通
图1 : C?dv/dt电流和寄生导通

图2 : 因C?dv/dt效应产生击穿电流时的真实开关波形
图2 : 因C?dv/dt效应产生击穿电流时的真实开关波形

为了防止出现这种现象,可以采用的方法便是增大IGBT的阈值VGEth。但是,IGBT的Vce(sat)行为与VGEth之间存在一定的取舍。增大栅极阈值电压会导致额外的功耗,因为IGBT饱和电压Vce(sat) 会增大。因此,就效率而言,VGEth 的增大存在局限性。鉴于此,应该控制这种现象的发生,透过在考虑固定IGBT 特性如寄生电容和VGEth时选择合适的栅极电阻值实现。


为了优化栅极控制电阻,知道影响图2中观察到的「Vge 冲击(bump)」的各种外部因素相互作用是必要的。


「Vge冲击」电平会因下列A到D项描述关系中的因素增大︰


A.较大的 Rg_off → 增大Vge bump,


B.较低的Rg_on → 快速上升的dvce/dt → 增大C?dv/dt 电流→ 增大Vge 冲击,


C.高栅极控制电压→ 快速上升的dvce/dt → 增大C?dv/dt 电流→ 增大Vge 冲击,


D.高DC 总线电压→ 快速上升的dvce/dt → 增大C?dv/dt 电流→ 增大Vge 冲击,及


E.低集电极电流→ 快速上升的dvce/dt → 增大C?dv/dt 电流→ 增大Vge 冲击。


因素C、D和E与作业条件相关。为了最小化击穿电流和产生的「Vge 冲击」,应在最坏的C、D和E条件下考虑因素A和B。


图3 显示如何透过调节栅极关断速度将开关内波形优化到基本消除电流击穿的点。总而言之,为了阻止或减少这种穿通问题,推荐采用几种调节方法,如表1所示。图3显示调节方法减小Rg_off 的值的实例。推荐采用其他调节方法,最小化击穿电流的效应,同时优化开关性能和效率。该表格​​总结了可以尝试的调节方法、预期效应和可能的缺点。建议尝试各种调节方法,从而获得最佳情况,能够在最大化效率的同时最小化产生的击穿电流和EMI。



图3 : 透过减小 Rg_off 进行优化的实例
图3 : 透过减小 Rg_off 进行优化的实例
表1 优化IGBT半桥式开关过渡过程的调节方法

调节方法

预期效应

缺点

Rg_off ↓

较低的Vge冲击

增大关断dvce/dt和浪通电压

Rg_on ↑

低 dvce/dt e低Vge冲击

开关导通能耗增加

IGBT栅极与发射极
之间的额外电容

较低的Vge冲击

开关导通能耗增加

+/-栅极电压控制(如关断状态下为-15V)

较低的Vge冲击

昂贵的


马达控制设技工具的优点

*因输入资料范围改变开关及导通损失


*支援Sine PWM、Space Vector PWM 及四种间断模式PWM


*指定马达频率下的纹波温度(ΔTj);预测模组的长期可靠性


*以图形显示低变频器输出频率下的接面温度纹波


*散热器的散热要求满足既定标准


*结合算式与实证结果计算损失,提供额外的资料正确度


(本文作者JunHo Leeb任职于快捷半导体)


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