绝缘栅双极晶体管驱动器特性分析_徐靖驰.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期绝缘栅双极晶体管驱动器特性分析徐靖驰李鹏吴小军李贤飞(宁波钢铁有限公司设备部浙江宁波 315807)摘要栅极驱动器是一种功率放大器，它接受来自控制器的低功耗输入，并为功率器件产生适当的高电流栅极驱动。随着对电力电子器件的要求不断提高，栅极驱动器电路的设计和性能变得越来越重要。栅极驱动器电路是电力电子系统的一个组成部分。栅极驱动器构成了大功率电子器件和控制电路之间的重要接口，用于驱动功率半导体器件，因此，栅极驱动器在电力电子转换器的中至关重要。关键词绝缘栅双极晶体管栅极驱动器特性中图法分类号TF321文献标识码BDoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.017Characterization of the Gate Driver of an Insulated Gate Bipolar TransistorXuJingchiLi PengWu XiaojunLi Xianfei(Ningbo Iron and Steel Co，Ltd，Ningbo 315807)ABSTRACTA gate driver is a power amplifier that accepts a low power input from a controller IC andproduces the appropriate high current gate drive for a power device As requirements for power electronics continueto increase，the design and performance of the gate driver circuitry are becoming ever more important The gatedriver circuit is an integral part of power electronics systems Gate drivers form an important interface between thehigh power electronics and the control circuit and are used to drive power semiconductor devices Therefore，thegate driver circuit is critically important in the power electronic convertersKEYWORDSIGBTGateDriverCharacterization1前言栅极驱动器的具有控制 IBGT 栅极电压和电流的能力，其中核心的技术是如何控制栅极驱动器的输出强度。栅极所需的电荷量或给定时间段内的电流，用于对输入电容进行充电和放电，CISS=Cgd+Cgs，如图 1 所示。图 1栅极驱动器控制功能及性能图栅极电荷表示为一段时间内栅极电流的积分，并重新调整以求解所需的栅极电流。QG=IGdtIG=QGtrise/fall;式中:trise/fall栅极电压提高开关速度所需的上升和下降时间。电荷分布到 Cgd或 Cgs的区域，最关键的区域是米勒效率区域，在该区域中对 Cgd进行充电并且栅极电压保持恒定。在该区域内，器件上切换的电压会改变状态并产生开关损耗，驱动器在该区域内提供最大的驱动能力。栅极驱动器所需的功率描述如下。87作者简介:徐靖驰，男，1976 年生，学士，高级工程师，邮箱:xujingchi ningbosteel comPsw=VDRVQGfsw;式中:fsw开关频率;VDRV驱动电压。2IGBT 特点IGBT，绝缘栅双极晶体管，是由 BJT(双极晶体管)和 MOFET(绝缘栅场效应晶体管)组成的复合全受控电压驱动功率半导体器件。IGBT 的开关功能是通过添加正栅极电压来形成一个通道，为晶体管提供基极电流以打开 IGBT。相反，增加反向栅极电压以消除通道并切断基极电流将关闭IGBT。IGBT 是一种三端设备。它具有栅极 G、集电极 c 和发射器 E。IGBT 的结构和简化的等效电路如图 2 所示。图 2IGBT 的结构和简化的等效电路IGBT 的主要特点主要包括静态特性和动态特性，静态特性主要包括伏安特性和传输特性，动态特性就是开关特性。静态特性是指 IGBT 的伏安特性，表现为漏极电流与栅极电压之间的关系曲线1。IGBT 的传输特性是指输出漏极电流与栅源电压之间的关系曲线，当栅源电压小于导通电压时，IGBT 处于关断状态。IGBT 导通后，在漏极电流范围内，输出漏极电流与栅源电压呈线性关系，最大栅源电压受最大漏极电流的限制，其最优值一般在 15V左右。动态特性也称为开关特性。IGBT 的开关特性分为两部分:一是开关速度，主要指标是各部分开关过程的时间，另一个是切换过程中的损耗。IGBT 的导通和关断要求在其栅极和基极之间增加一个正电压和负电压，栅极电压可以由驱动器的不同驱动电路产生。IGBT 的导通电压约为 3V4V，IGBT 的开关速度低于 MOSFET，但明显高于 GTR。目前 IGBT 器件的电压和电流容量仍然非常有限，在高压传动系统应用中，通过 IGBT 串联实现电压达到 10kV 以上。3IGBT 开关特性栅极驱动器主要解决的是 IGBT 的导通和关断，从导通时间是指从正向阻断瞬间到正向导通模式的时间。(di/dt)on 则是表征 IGBT 抗电流冲击能力的参数。IGBT 不能开得太快，否则会造成集电极电流变化得太快而导致 IGBT 损坏。IGBT的开关时间参数 ton、td(on)、tr、toff、td(of)、tf、(di/dt)on，直观地表征了 IGBT 在理想状况下的开关速度，其公式表达为:ton=tdon+tr;toff=td(off)+tf;式中:Ton开通时间;td(on)开通延时;tr上升时间;toff关断时间;td(off)关断延时;tf下降时间。图 3IGBT 的典型开关特性曲线tr、tf和 td(on)、td(off)在数值上的比较接近，tr、tf是集电极电流变化范围比较大的时间段，因此对IGBT 的性能影响比较大，能够表征 IGBT 的开关速度，通过调整栅极电阻 RG 来限制(di/dt)on。开关时间受 Ic的影响比较小，受 IG的影响比较明显，而 IG又明显受到栅极电阻 RG的影响，因此 RG对开关时间是有明显影响的。RG增大，除了会使tf略有减小以外，将使其他开关参数变长，总的影响是使开关时间变长，影响趋势如图 3 所示。因此，要限制开关时间，可适当增大 RG，过度增加RG，会使 IGBT 的适用功率频率降低，还会增加栅极驱动功率的消耗，RG一般不超过 100，电流规格越大的 IGBT，RG的取值越小。4基本特性41结构形式IGBT 驱动器形式多种多样，从电路隔离方式看，IGBT 驱动器可分成两大类，一类采用光电耦97徐靖驰等:绝缘栅双极晶体管驱动器特性分析2022 年 12 月第 6 期合器，另一类采用脉冲变压器，两者均可实现信号的传输及电路的隔离。光电耦合驱动器的最大特点是双侧都是有源的，由它提供的正向脉冲及负向封锁脉冲的宽度可以不受限制，而且可以较容易地通过检测 IGBT 通态集电极电压实现各种情况下的过流及短路保护，并对外送出过流信号，这种驱动器做成混合集成电路的形式。单列直插封装型(Single Inline Package，SIP)，SIP 封装的典型特征是引脚从封装体一侧引出，排列成一条直线，根据驱动的要求与驱动电路板形成栅极驱动器。42组成IGBT 驱动器由三部分组成，分别是光电耦合器、栅极信号放大器、开挂晶体管，如图 4 所示。光电耦合器对电气信号进行转换，栅极信号放大器是接收光耦合器的信号并对其进行放大的接口电路，以及用于对 IGBT 的栅极进行电荷充电、放电的开关晶体管。IGBT 导通时，需要对栅极电压正向偏置 15V，关断时，必须反向偏置 10V 左右。此时，需要对栅极电容进行充电、放电，且必须以极快速度进行作业。将用以接收信号并对栅极电容进行快速充放电的驱动电路制成混合集成电路，这就是 IGBT 驱动器。图 4栅极驱动器的组成43基本原理栅极驱动器的主要目的是放大提供给 IGBT栅极的电流，这是快速开关 IGBT 所必需的。除了电流放大之外，应用所需的其他功能通常集成在栅极驱动器中，如图 5 所示。这些包括:控制信号的隔离。栅极驱动器供电电源的隔离。IGBT 短路保护。晶体管的联锁延迟时间。栅极驱动器中两个 N 和 P 沟道 MOSFET 负责放大通过 Rin进入的控制信号，相对于发射极，正电压或负电压施加到栅极上，实现快速导通和关断。栅极电阻一分为二 RGon和 RGoff，其一电阻起到限制输出时的电压电流，方式 MOSFET 的导通状态转换时发生的击穿;其次，电阻器更精细的控制 IGBT 的导通和关断特性。两个电容用作栅极驱动器电源的缓冲器，在开关期间提供峰值电流。另外一个电阻约为 10k 100k，应在栅极和发射极之间添加，以防止栅极电容器出现任何意外充电，即防止晶体管意外导通。44控制要求图 5IGBT 栅极驱动器基本原理图栅极驱动器的目的是为栅极电容充电，也称为输入电容。理想情况下，充电时间瞬间完成，但栅极驱动器和晶体管的局限性对它的特性造成了限制2。栅极驱动器所需的功率取决于开关频率以及每个充电/放电周期所需的能量。PGD=E fsw;电流是每单位时间充电，因此所需的平均栅极电流由下式给出:IG=QG fsw;由此可以得出栅极驱动器的功率要求由下式给出:PGD=QG(VGon VGoff)fsw;峰值栅极电流受内部和外部栅极电阻以及电路中存在的任何杂散电感的限制，它可以近似于:IG peak=VGon VGoff/RG+RGint;栅极驱动器输出通常采用容量适合栅极电荷的电容，因为这将减轻栅极驱动电源内部阻抗普遍较高的问题。栅极驱动器在实现开关功能的同时，要考虑保护晶体管的栅极免受过压的影响，一般通过电压限制电路实现保护功能。一种是在栅极和发射极(源)之间应用齐纳二极管(或 TVS 二极管也叫瞬态二极管);另一种是使用快速开关肖特基二极管将栅极箝位到驱动器电源电压，如图 6 所示。082022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备图 6通过用肖特基二极管将栅极箝位到电源上来提供过压保护外部栅极电阻用于故意限制栅极的最大充电电流。这有几个目的。一是限制栅极的充电电流，一是限制集电极 发射器 dV/dt 突变超限。栅极电阻分为两个电阻，分别用于充电和放电，这样可以更好地控制打开和关闭时间，所需的最小栅极电阻计算方式如下:RG=VGon VGoff/IGmax式中:IGmax允许的最大栅极充电电流。IGmax并不一定是最佳电流值。有时需要限制开关时间，从而限制晶体管的充电电流，当电流快速切换时，电路中的寄生电感会导致高压瞬变。v=Ls di/dt栅极电阻实现对峰值或上升/下降时间优化调整，抑制电压尖峰，实现最低的开关损耗。在晶体管和高开关频率的情况下，还需要计算栅极电阻中的功率损耗。PRon=I2GonRMS RGon其中，栅极充电电流的 RMS 值可由以下公式:IGonRMS=IGonpeaktpon fsw槡345过流检测在栅极驱动器工作时，随着晶体管的电流上升，晶体管两端的压降也在上升(从漏极到源极，或从集电极到发射极)，由于电压降不够线性，无法在电流测量中使用，但可以用作过流状态的指示，利用 Vcedesat传感电压，即 IGBT 的集电极发射极去饱和电压检测，因为饱和晶体管会表现出低压降3。配置电压阀值，在此阀值处激活流过子系统的栅极驱动器。该系统的功能可以是禁用栅极驱动器，并向栅极提供关断电压。此外，警报信号通常反馈给控制