IGBT模塊的開關(guān)損耗與性能的關(guān)系以及大功率電源中IGBT電壓與驅(qū)動(dòng)能力的關(guān)系
IGBT的研制中，要求功率開關(guān)器件降低損耗、提高效率、提高性能。開關(guān)器件的損耗分為兩類，一類是器件的通態(tài)正常(導(dǎo)通)損耗;另一類是從通態(tài)向斷態(tài)(從斷態(tài)向通態(tài)，轉(zhuǎn)換的開關(guān)損耗。IGBT的主要技術(shù)特性有集電極—發(fā)射極間飽和電壓VCE(sat)特性，開關(guān)特性tf(斷開時(shí)間toff和導(dǎo)通時(shí)間ton之和)。IGBT的擊穿性能看閉鎖性能、短路性能、di/dt、dv/dt性能。
(1)改進(jìn)開關(guān)特性的技術(shù)
為改進(jìn)開關(guān)特性所研制的技術(shù)主要是使?jié)舛扰c層的厚度達(dá)到最佳化，減少成為儲(chǔ)存載流子的空穴，使IGBT 特有的集電極電流拖尾減少。通過單元圖形的最佳化減少輸入阻抗RG，使功率MOSFET部分柵極電荷充放電時(shí)間高速化，在高速化功率器件的基礎(chǔ)上所采用的技術(shù)是縮短載流子的壽命時(shí)間。作為壽命時(shí)間限制方法一般常采用重金屬擴(kuò)散和電子射線照射等方法，通過壽命時(shí)間的控制可以控制IGBT集電極電流Ic的關(guān)斷特性。，降低功率MOSFET部分的柵極電容量，可使充放電時(shí)間達(dá)到高速化。
(2)降低 VCE( sat)技術(shù)
降低VCE(sat)技術(shù)是通過濃度、層的厚度及深度的最佳化來降低電阻部分，借助精細(xì)化，提高單位面積的電流密度，使Lg與Ls比達(dá)到最佳化，擴(kuò)大功率MOSFET部的反型層(溝道))單位芯片面積，減少溝道電阻。
利用開關(guān)特性的改進(jìn)技術(shù)，加大壽命時(shí)間限制量，開關(guān)特性能實(shí)現(xiàn)高速化，在IGBT中，VCE(sat)與開關(guān)特性tf處于相關(guān)關(guān)系中，借助壽命時(shí)間控制，在該相關(guān)關(guān)系上可以找到所需要的任意工作狀態(tài)。
(3)提高性能技術(shù)
為提高IGBT擊穿性能，采用IGBT提高性能的技術(shù)，抑制了IGBT內(nèi)部寄生NPN 晶體管工作及IGBT內(nèi)部電場(chǎng)和電流的集中，使IGBT擊穿性能得以提高。
IGBT模塊的開關(guān)損耗與性能的關(guān)系以及大功率電源中IGBT電壓與驅(qū)動(dòng)能力的關(guān)系
IGBT作為電壓控制型開關(guān)器件，IGBT的開關(guān)由柵極的電壓控制。大家都知道柵極電壓升高，IGBT導(dǎo)通，柵極電壓低，IGBT關(guān)斷。但是使用的時(shí)候還是很容易忽略柵極導(dǎo)通電壓的高低對(duì)IGBT導(dǎo)通特性的影響。
IGBT和MOS管一樣，N溝道IGBT的導(dǎo)通依靠柵極吸引P型半導(dǎo)體的電子形成N溝道達(dá)到導(dǎo)通的效果，只是IGBT把這個(gè)導(dǎo)通效果進(jìn)行了放大以達(dá)到大電流開關(guān)的目的。也就是說只要柵極的電壓越高，N溝道的電子也就越多，IGBT的通流能力越大。作為典型的大功率開關(guān)器件，為了提高電流控制能力，IGBT要求導(dǎo)通的時(shí)候柵極電壓越大越好。但是由于工藝的限制，一般的IGBT柵極耐壓只能做到20V。為了驅(qū)動(dòng)的安全，大部分的IGBT廠家將IGBT的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)通電壓設(shè)定為了15V。
設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)器的時(shí)候，要有一個(gè)提供驅(qū)動(dòng)能量的隔離電源。電源的一般特性為，當(dāng)輸出電流提高時(shí)，由于線路阻抗的影響，負(fù)載端的實(shí)際接收電壓就會(huì)降低。也就是說，同樣一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，如果驅(qū)動(dòng)一個(gè)50A的IGBT時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓是15V，那么同樣頻率下驅(qū)動(dòng)一個(gè)200A的IGBT時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓就可能只有13V。而IGBT在13V的驅(qū)動(dòng)電壓下顯然不能有效控制200A的電流，可能只能正?？刂?50A的電流。這時(shí)就會(huì)感覺到這個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力不足了。因此，限制一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力的因素大部分時(shí)候不是由于驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流不足，而是驅(qū)動(dòng)電源的電壓下降導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓不足。
還有一種情況就是，現(xiàn)有的隔離電源正電壓一般采用標(biāo)準(zhǔn)電壓15V輸出。后端加了驅(qū)動(dòng)電路后，由于驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)管的壓降，驅(qū)動(dòng)器本身的輸出電壓就會(huì)比供電電源電壓低。這時(shí)就會(huì)進(jìn)一步加劇驅(qū)動(dòng)能力不足的現(xiàn)象。
為了充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力，一般在設(shè)備調(diào)試的時(shí)候，要讓IGBT驅(qū)動(dòng)器的滿載驅(qū)動(dòng)電壓控制在15V左右。實(shí)現(xiàn)的方法為給驅(qū)動(dòng)電路一個(gè)可以調(diào)節(jié)輸出電壓的電源。
大功率開關(guān)電路多為三相全橋電路，一般100A的IGBT驅(qū)動(dòng)電源輸入功率不會(huì)超過3W，那么三相六個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)功率就不超過18W。由于每個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)電源的功率很小，并且存在很強(qiáng)的共模干擾，因此不允許使用穩(wěn)壓電源。這時(shí)可以用一個(gè)VRB2415LD-20WR2給六個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電源統(tǒng)一供電。這樣既保證了電源總線電壓的波動(dòng)不會(huì)影響IGBT驅(qū)動(dòng)電源的供電，同時(shí)使用VRB2415LD-20WR2的Trim腳可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)IGBT驅(qū)動(dòng)電壓的最終調(diào)整。
這里需要注意的是，選用的IGBT隔離驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)當(dāng)有輸出電壓可以跟隨輸入電壓變化的特性，比如QA電源系列的QA01配合VRB2415LD-20WR2給IGBT驅(qū)動(dòng)器供電時(shí)就可以很好的調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓。
以上的內(nèi)容，就是IGBT電壓與驅(qū)動(dòng)能力的關(guān)系，以及對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)方法。文中介紹的這套方法主要是針對(duì)大功率電源的，在有IGBT參與的大功率電源設(shè)計(jì)中，大家可以留意一下在驅(qū)動(dòng)方面的調(diào)節(jié)方法。希望大家在閱讀過本文之后能夠有所收獲。
IGBT模塊的開關(guān)損耗與性能的關(guān)系以及大功率電源中IGBT電壓與驅(qū)動(dòng)能力的關(guān)系
