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单管IGBT模块SKM300GA123D原装德国西门康

关键词:IGBT

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  确定门极电荷Qg和门极电容

  对于设计一个驱动器来说,最重要的参数莫过于门极电荷Qg的大小,同时确定实际的门极输入电容Cies的大小,因为Datasheet中给到的输入电容大小一般是个参考值,确定实际门极输入电容是一重要意义的。

  我们可以通过测量门极的充电过程来确定实际输入结电容Cin的大小。首先,在负载端没有输出电压的情况下,我们可以进行下面这样的计算:

  门极电荷Qg=∫idt=C*ΔV

  确定了门极电荷Qg之后,我们可以通过门极充电过程中的门极电压上升过程,示波器可以测量出ΔV,那么利用公式可以计算出实际的门极输入电容

  Cin=Qg/ΔV

  这里的测得的实际输入结电容Cin在我们的设计中是具有很大意义的。

  1.关于Ciss

  在IGBT的Datasheet中,我们经常会看到一个参数Ciss,在实际电路应用中,这个参数其实并不算一个很有用的参数,是因为它是通过电桥测得的,由于测量电压太小而不能达到门极的门槛电压,实际开关过程中的miller效应并没有能包涵在内。在测量电路中,一个25V的电压加在集电极上,在这种测量方法下测得的结电容要比Vce=0的时候要小一些,因此,规格书中的Ciss这个参数一般用于IGBT相互做对比时使用。

  一般我们使用下面的经验公式根据规格书的Ciss来计算输入电容Cin的大小

  Cin=5Ciss

  2.驱动功率的计算

  接下来让我们看看应该如何来计算驱动功率。

  在输入结电容中存储的能量可以通过如下公式计算:

  W=1/2*Cin*ΔU?

  其中,ΔU是门极上上升的整个电压,比如在±15V的驱动电压下,ΔU就是30V。

  在每个周期,门极被充电两次,一个IGBT所需的驱动功率我们可以按下式计算:

  P=f*Cin*ΔU?

  如果门极电荷先前通过测量得到了,那么

  P=f*Qg*ΔU

  这个功率是每个IGBT驱动时所必须的,但门极的充放电时基本没有能量损失的,这个功率实际上损失在驱动电阻和外部电路中。当然,设计时还需要考虑其他方面的损耗,比如供电电源的损耗。

  3.驱动电流的计算

  驱动器的输出电流必须大于等于实际所需要的门极驱动电流,计算公式如下:

  Ig,max=ΔU/Rg,min

  ΔU是整个门极上升电压,而Rg,min是电路中选取的最小驱动电阻。

  下面我们举个例子简单计算一下:

  比如现有一个200A的IGBT模块,工作频率8KHZ,门极电荷测量波形如下:

  Qg和ΔU可以通过示波器测得:Qg=2150nC,ΔU=30V那么门极电容Cin=Qg/ΔU=71.6nF。所需的驱动功率:P=f*Qg*ΔU=8*2150*30=0.516W如Rg=4.7Ω,那么驱动电流为:Ig=ΔU/Rg=30/4.7=6.4A

   IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点,又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

  IGBT作为一种大功率的复合器件,存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压,过高的电流变化率会引起过电压,为此需要采用软关断技术,因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。

  IGBT是电压控制型器件,在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压,只有μA级的漏电流流过,基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容(几千至上万pF),在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流,才能满足开通和关断的动态要求,这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。

  IGBT作为一种大功率的复合器件,存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压,过高的电流变化率会引起过电压,为此需要采用软关断技术,因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。

  栅极特性

  IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄,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额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极-集电极间的电容耦合,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,以减小寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

  栅极串联电阻对栅极驱动波形的影响

  栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT开通关断过程有着较大的影响。IGBT的MOS沟道受栅极电压的直接控制,而MOSFET部分的漏极电流控制着双极部分的栅极电流,使得IGBT的开通特性主要决定于它的MOSFET部分,所以IGBT的开通受栅极驱动波形的影响较大。IGBT的关断特性主要取决于内部少子的复合速率,少子的复合受MOSFET的关断影响,所以栅极驱动对IGBT的关断也有影响。

  在高频应用时,驱动电压的上升、下降速率应快一些,以提高IGBT开关速率降低损耗。

  在正常状态下IGBT开通越快,损耗越小。但在开通过程中如有续流二极管的反向恢复电流和吸收电容的放电电流,则开通越快,IGBT承受的峰值电流越大,越容易导致IGBT损害。此时应降低栅极驱动电压的上升速率,即增加栅极串联电阻的阻值,抑制该电流的峰值。其代价是较大的开通损耗。利用此技术,开通过程的电流峰值可以控制在任意值。

  由以析可知,栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开通过程影响较大,而对关断过程影响小一些,串联电阻小有利于加快关断速率,减小关断损耗,但过小会造成di/dt过大,产生较大的集电极电压尖峰。因此对串联电阻要根据具体设计要求进行全面综合的考虑。

  栅极电阻对驱动脉冲的波形也有影响。电阻值过小时会造成脉冲振荡,过大时脉冲波形的前后沿会发生延迟和变缓。IGBT的栅极输入电容Cge随着其额定电流容量的增加而增大。为了保持相同的驱动脉冲前后沿速率,对于电流容量大的IGBT器件,应提供较大的前后沿充电电流。为此,栅极串联电阻的电阻值应随着IGBT电流容量的增加而减小。

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