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功率器件驅動算法及其門極保護

作者:衡麗電子

01、IGBT工作時序

如下為典型IGBT驅動時序展開波形:

功率器件驅動算法及其門極保護

T0-階段:門級電流Ig給Cge充電,此時Vge電壓小于門檻值電壓Vgeth,是以IGBT處于關斷狀态,Vce電壓維持在Vcc。

T1階段:當Vge電壓超過門檻值Vgeth時,IGBT進入開啟狀态,工作線上性區,Ic電流開始上升到負載電流Icload,而實際工作時,由于續流二極管的存在,其反向恢複電流會疊加到IGBT上,該電流上升會超過負載電流,在Vge達到米勒平台電壓前,Vce兩端電壓為Vcc,有源鉗位就是利用IGBT工作線上性區的原理來吸收回路當中多餘的能量,這個在TVS有源鉗位保護裡面有詳細的介紹。

T2階段:Vge維持在米勒平台電壓Vgepl,當續流二極管電流下降為零時,Vce開始急劇下降。

T3階段:Vce下降到飽和壓降Vcesat,此時驅動電流給Vgc電容充電,Vge維持在米勒平台。

T4階段:IGBT徹底導通,此時門級電流Ig給Cge充電直到設定的驅動電壓,驅動電流下降為零,側面反映了IGBT屬于電壓驅動型器件。

02、IGBT驅動算法

以IGBT為例,規格書通常會給出門極電荷Qg_int,門極輸入電容Cies,規格驅動楷體電壓Vgon_spec以及關斷電壓Vgoff_spec,内部驅動電阻Rg_int。以及通過選型設定外部電阻Rg_ext,實際工作驅動電壓Vgon_act、關斷電壓Vgoff_act與開關頻率fsw。

進而可以算出峰值驅動電流Igpk:

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通過初始Qg_int、門極輸入電容Cies以及初始門極驅動電壓可折算出門極電容系數Kc:

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通過門極電容系數可以反推回去實際驅動電壓下所需的門極電荷量Qg_act:

功率器件驅動算法及其門極保護

此時的平均工作電流Ig_av為電荷量與開關頻率fsw乘積:

功率器件驅動算法及其門極保護

驅動所需能量Eg_act為:

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根據驅動能量與開關頻率可以得出所需的驅動電路功率Pg_act:

功率器件驅動算法及其門極保護

通過簡單的算式可以實際驅動電路所需的驅動功率與峰值電流,下圖為Littelfuse原IXYS低邊驅動IC,其中IXD_600系列峰值電流可以達到30A,可以用于大功率子產品以及多分立器件并聯的使用。

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03、驅動線路過壓保護

由于線路串擾、感性與容性負載的存在,使得功率器件驅動與功率回路都會受到過壓導緻的損壞情況,主回路當中可以通過外接緩沖吸收回路,也可以通過門極串聯TVS來做有源鉗位的方式,門極通過并聯TVS的方式可以起到尖峰電壓吸收,參考電路圖如下。

功率器件驅動算法及其門極保護

門極保護通常會通過并聯TVS或者Zener管的方式來實作過壓保護,TVS最大優勢為其能承受更大的浪湧沖擊能力。TVS工作機理如下,為鉗位型器件,在浪湧過來後達到其擊穿電壓,二極管進入雪崩區域,此時吸收浪湧電流急劇增加,而電壓能鉗制在穩定範圍,進而起到良好的過壓保護效果。

功率器件驅動算法及其門極保護
功率器件驅動算法及其門極保護

04、非對稱驅動保護

通常情況下,IGBT與碳化矽MOSFET會涉及到正負驅動電壓不相等的情況,即非對稱驅動電壓,市面常用的做法為選用兩個TVS使用,即正電壓與負電壓獨立保護。