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除了IGBT的電壓下降時(shí)間較長(zhǎng)外,IGBT和功率MOSFET的導(dǎo)通特性十分類(lèi)似。由基本的IGBT等效電路(見(jiàn)圖1)可看出,完全調(diào)節(jié)PNP BJT集電極基極區(qū)的少數(shù)載流子所需的時(shí)間導(dǎo)致了導(dǎo)通電壓拖尾(voltage tail)出現(xiàn)

2017-09-26 00:00:00 · 電工之家 閱讀:372
除了IGBT的電壓下降時(shí)間較長(zhǎng)外,IGBT和功率MOSFET的導(dǎo)通特性十分類(lèi)似。由基本的IGBT等效電路(見(jiàn)圖1)可看出,完全調(diào)節(jié)PNP BJT集電極基極區(qū)的少數(shù)載流子所需的時(shí)間導(dǎo)致了導(dǎo)通電壓拖尾(voltage tail)出現(xiàn)

除了IGBT的電壓下降時(shí)間較長(zhǎng)外,IGBT和功率MOSFET的導(dǎo)通特性十分類(lèi)似。由基本的IGBT等效電路(見(jiàn)圖1)可看出,完全調(diào)節(jié)PNP BJT集電極基極區(qū)的少數(shù)載流子所需的時(shí)間導(dǎo)致了導(dǎo)通電壓拖尾(voltage tail)出現(xiàn)。

這種延遲引起了類(lèi)飽和 (Quasi-saturation) 效應(yīng),使集電極/發(fā)射極電壓不能立即下降到其VCE(sat)值。這種效應(yīng)也導(dǎo)致了在ZVS情況下,在負(fù)載電流從組合封裝的反向并聯(lián)二極管轉(zhuǎn)換到 IGBT的集電極的瞬間,VCE電壓會(huì)上升。
IGBT產(chǎn)品規(guī)格書(shū)中列出的Eon能耗是每一轉(zhuǎn)換周期Icollector與VCE乘積的時(shí)間積分,單位為焦耳,包含了與類(lèi)飽和相關(guān)的其他損耗。其又分為兩個(gè)Eon能量參數(shù),Eon1和Eon2。Eon1是沒(méi)有包括與硬開(kāi)關(guān)二極管恢復(fù)損耗相關(guān)能耗的功率損耗;Eon2則包括了與二極管恢復(fù)相關(guān)的硬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通能耗,可通過(guò)恢復(fù)與IGBT組合封裝的二極管相同的二極管來(lái)測(cè)量,典型的Eon2測(cè)試電路如圖2所示。IGBT通過(guò)兩個(gè)脈沖進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換來(lái)測(cè)量Eon。第一個(gè)脈沖將增大電感電流以達(dá)致所需的測(cè)試電流,然后第二個(gè)脈沖會(huì)測(cè)量測(cè)試電流在二極管上恢復(fù)的Eon損耗。

在硬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的情況下,柵極驅(qū)動(dòng)電壓和阻抗以及整流二極管的恢復(fù)特性決定了Eon開(kāi)關(guān)損耗。對(duì)于像傳統(tǒng)CCM升壓PFC電路來(lái)說(shuō),升壓二極管恢復(fù)特性在Eon (導(dǎo)通) 能耗的控制中極為重要。除了選擇具有最小Trr和QRR的升壓二極管之外,確保該二極管擁有軟恢復(fù)特性也非常重要。軟化度 (Softness),即tb/ta比率,對(duì)開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的電氣噪聲和電壓尖脈沖 (voltage spike) 有相當(dāng)?shù)挠绊憽?
某些高速二極管在時(shí)間tb內(nèi),從IRM(REC)開(kāi)始的電流下降速率(di/dt)很高,故會(huì)在電路寄生電感中產(chǎn)生高電壓尖脈沖。這些電壓尖脈沖會(huì)引起電磁干擾(EMI),并可能在二極管上導(dǎo)致過(guò)高的反向電壓。
在硬開(kāi)關(guān)電路中,如全橋和半橋拓?fù)渲?,與IGBT組合封裝的是快恢復(fù)管或MOSFET體二極管,當(dāng)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)二極管有電流經(jīng)過(guò),因而二極管的恢復(fù)特性決定了Eon損耗。所以,選擇具有快速體二極管恢復(fù)特性的MOSFET十分重要。不幸的是,MOSFET的寄生二極管或體二極管的恢復(fù)特性比業(yè)界目前使用的分立二極管要緩慢。因此,對(duì)于硬開(kāi)關(guān)MOSFET應(yīng)用而言,體二極管常常是決定SMPS工作頻率的限制因素。
一般來(lái)說(shuō),IGBT組合封裝二極管的選擇要與其應(yīng)用匹配,具有較低正向傳導(dǎo)損耗的較慢型超快二極管與較慢的低VCE(sat)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IGBT組合封裝在一起。相反地,軟恢復(fù)超快二極管,可與高頻SMPS2開(kāi)關(guān)模式IGBT組合封裝在一起。
除了選擇正確的二極管外,設(shè)計(jì)人員還能夠通過(guò)調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通源阻抗來(lái)控制Eon損耗。降低驅(qū)動(dòng)源阻抗將提高IGBT或MOSFET的導(dǎo)通di/dt及減小Eon損耗。Eon損耗和EMI需要折中,因?yàn)檩^高的di/dt 會(huì)導(dǎo)致電壓尖脈沖、輻射和傳導(dǎo)EMI增加。為選擇正確的柵極驅(qū)動(dòng)阻抗以滿(mǎn)足導(dǎo)通di/dt 的需求,可能需要進(jìn)行電路內(nèi)部測(cè)試與驗(yàn)證,然后根據(jù)MOSFET轉(zhuǎn)換曲線可以確定大概的值 (見(jiàn)圖3)。

假定在導(dǎo)通時(shí),F(xiàn)ET電流上升到10A,根據(jù)圖3中25℃的那條曲線,為了達(dá)到10A的值,柵極電壓必須從5.2V轉(zhuǎn)換到6.7V,平均GFS為10A/(6.7V-5.2V)=6.7mΩ。

公式1 獲得所需導(dǎo)通di/dt的柵極驅(qū)動(dòng)阻抗
把平均GFS值運(yùn)用到公式1中,得到柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vdrive=10V,所需的 di/dt=600A/μs,F(xiàn)CP11N60典型值VGS(avg)=6V,Ciss=1200pF;于是可以計(jì)算出導(dǎo)通柵極驅(qū)動(dòng)阻抗為37Ω。由于在圖3的曲線中瞬態(tài)GFS值是一條斜線,會(huì)在Eon期間出現(xiàn)變化,意味著di/dt也會(huì)變化。呈指數(shù)衰減的柵極驅(qū)動(dòng)電流Vdrive和下降的Ciss作為VGS的函數(shù)也進(jìn)入了該公式,表現(xiàn)具有令人驚訝的線性電流上升的總體效應(yīng)。
同樣地,IGBT也可以進(jìn)行類(lèi)似的柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通阻抗計(jì)算,VGE(avg) 和 GFS可以通過(guò)IGBT的轉(zhuǎn)換特性曲線來(lái)確定,并應(yīng)用VGE(avg)下的CIES值代替Ciss。計(jì)算所得的IGBT導(dǎo)通柵極驅(qū)動(dòng)阻抗為100Ω,該值比前面的37Ω高,表明IGBT GFS較高,而CIES較低。這里的關(guān)鍵之處在于,為了從MOSFET轉(zhuǎn)換到IGBT,必須對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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