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IGBT過(guò)流保護(hù)技術(shù)示例介紹

時(shí)間:2019-07-26 08:46:51來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 作者:admin 點(diǎn)擊:
工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的整體市場(chǎng)趨勢(shì)是對(duì)更高效率,可靠性和穩(wěn)定性的不斷增長(zhǎng)的需求。 功率半導(dǎo)體器件制造商繼續(xù)尋求傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)時(shí)間的突破。 增加絕緣柵雙極晶體管(IGBT)傳導(dǎo)損耗的一些權(quán)衡因素是:更高的短路電流水平,更小的芯片尺寸,更低的熱容量和短路耐受時(shí)間。 這突出了柵極驅(qū)動(dòng)器電路和過(guò)流檢測(cè)和保護(hù)的重要性。 本文討論了現(xiàn)代工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中短路保護(hù)的成功和可靠實(shí)施。
濾波器,以便在檢測(cè)機(jī)制中產(chǎn)生短暫的時(shí)間常數(shù),過(guò)濾噪聲拾取導(dǎo)致的濾波器雜散跳變。選擇這些濾波器元件時(shí),需在噪聲抗擾度和IGBT短路耐受時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)這兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。

檢測(cè)到IGBT過(guò)流后,進(jìn)一步的挑戰(zhàn)便是關(guān)閉處于不正常高電流電平狀態(tài)的IGBT。正常工作條件下,柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為能夠盡可能快速地關(guān)閉IGBT,以便最大程度降低開(kāi)關(guān)損耗。這是通過(guò)較低的驅(qū)動(dòng)器阻抗和柵極驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果針對(duì)過(guò)流條件施加同樣的柵極關(guān)斷速率,則集電極-發(fā)射極的di/dt將會(huì)大很多,因?yàn)樵谳^短的時(shí)間內(nèi)電流變化較大。由于線焊和PCB走線雜散電感導(dǎo)致的集電極-發(fā)射極電路寄生電感可能會(huì)使較大的過(guò)壓電平瞬間到達(dá)IGBT(因?yàn)閂LSTRAY = LSTRAY × di/dt)。因此,在去飽和事件發(fā)生期間,關(guān)斷IGBT時(shí),提供阻抗較高的關(guān)斷路徑很重要,這樣可以降低di/dt以及一切具有潛在破壞性的過(guò)壓電平。

除了系統(tǒng)故障導(dǎo)致的短路,瞬時(shí)逆變器直通同樣會(huì)發(fā)生在正常工作條件下。此時(shí),IGBT導(dǎo)通要求IGBT驅(qū)動(dòng)至飽和區(qū)域,在該區(qū)域中導(dǎo)通損耗最低。這通常意味著導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的柵極-發(fā)射極電壓大于12 V。IGBT關(guān)斷要求IGBT驅(qū)動(dòng)至工作截止區(qū)域,以便在高端IGBT導(dǎo)通時(shí)成功阻隔兩端的反向高電壓。原則上講,可以通過(guò)使IGBT柵極-發(fā)射極電壓下降至0 V實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。但是,必須考慮逆變器臂上低端晶體管導(dǎo)通時(shí)的副作用。

導(dǎo)通時(shí)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的快速變化導(dǎo)致容性感應(yīng)電流流過(guò)低端IGBT寄生密勒柵極-集電極電容(圖3中的CGC)。該電流流過(guò)低端柵極驅(qū)動(dòng)器(圖3中的ZDRIVER)關(guān)斷阻抗,在低端IGBT柵極發(fā)射極端創(chuàng)造出一個(gè)瞬變電壓增加,如圖所示。如果該電壓上升至IGBT閾值電壓VTH以上,則會(huì)導(dǎo)致低端IGBT的短暫導(dǎo)通,從而形成瞬態(tài)逆變器臂直通——因?yàn)閮蓚(gè)IGBT都短暫導(dǎo)通。這一般不會(huì)破壞IGBT,但卻能增加功耗,影響可靠性。

圖3 密勒感應(yīng)逆變器直通

一般而言,有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應(yīng)導(dǎo)通問(wèn)題——使用雙極性電源或額外的米勒箝位。在柵極驅(qū)動(dòng)器隔離端接受雙極性電源的能力為感應(yīng)電壓瞬變提供了額外的裕量。例如,–7.5 V負(fù)電源軌表示需要大于8.5 V的感應(yīng)電壓瞬變才能感應(yīng)雜散導(dǎo)通。這足以防止雜散導(dǎo)通。另一種方法是在完成關(guān)斷轉(zhuǎn)換后的一段時(shí)間內(nèi)降低柵極驅(qū)動(dòng)器電路的關(guān)斷阻抗。這稱(chēng)為米勒箝位電路。容性電流現(xiàn)在流經(jīng)較低阻抗的電路,隨后降低電壓瞬變的幅度。針對(duì)導(dǎo)通與關(guān)斷采用非對(duì)稱(chēng)柵極電阻,便可為開(kāi)關(guān)速率控制提供額外的靈活性。所有這些柵極驅(qū)動(dòng)器功能都對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性與效率有正面影響。

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