// 講座概述
本系列講座旨在分享功率半導(dǎo)體的原理和相關(guān)應(yīng)用知識，已發(fā)布的第1-30講主要介紹了功率半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識。從第31講起為大家介紹HVIGBT的一系列相關(guān)知識，以幫助讀者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正確應(yīng)用方法。
變流器在工作時(shí)，可能因?yàn)椴豢煽咕芤蛩睾头钦９ぷ鳁l件而引起故障；在發(fā)生故障時(shí)，必須能及時(shí)有效的為HVIGBT提供保護(hù)，使其不受損壞，從而保證設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。因?yàn)榇蠖鄶?shù)HVIGBT的保護(hù)機(jī)理都通過檢測故障信號從而去調(diào)整HVIGBT的驅(qū)動(dòng)信號，所以HVIGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)是密不可分的。
1.1.1 驅(qū)動(dòng)功耗的計(jì)算
HVIGBT有一個(gè)MOS的柵極結(jié)構(gòu)，在HVIGBT開通和關(guān)斷的時(shí)候會對MOS的柵極進(jìn)行充電和放電，圖7-1顯示了HVIGBT開通的門極結(jié)構(gòu)及充電特性。
過程①：門極電流IG為寄生電容CGE和CGC充電；
過程②：門極電流IG為CGE充電，為HVIGBT導(dǎo)通創(chuàng)建通道；
過程③：“米勒效應(yīng)”；
過程④：門極電流IG為電容CGE和CGC充電
根據(jù)門極充電的特性曲線，我們可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)HVIGBT所需要的平均功耗Pav如下：
其中：
QG：總的柵極電荷
fc：HVIGBT的開關(guān)頻率
△VGE：柵極電壓變化量
為HVIGBT的驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)供電電源時(shí)候，要考慮到Pav 的值，同時(shí)還要考慮到驅(qū)動(dòng)板上其他元件的功耗，并保留一定的余量。
驅(qū)動(dòng)HVIGBT所需要的最小峰值電流為:
其中
VGE 為柵極電壓,△VGE由下式求得：
Rg為HVIGBT外部的柵極驅(qū)動(dòng)電阻；
rg為HVIGBT內(nèi)部的柵極電阻。
1.1.2 驅(qū)動(dòng)電壓的選擇
HVIGBT在開通時(shí)，為了保證其快速進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，我們要在其門極施加正向電壓；在關(guān)斷的時(shí)候，為了保證其能可靠關(guān)斷，避免門極信號受到干擾產(chǎn)生誤動(dòng)作，也需要在門極施加負(fù)壓。
通常情況下，建議HVIGBT開通時(shí)正向門極電壓VGE取值為15V±10％。在任何情況下開通時(shí)的VGE不應(yīng)超出12V～20V的范圍。
正向偏置電壓的選擇和以下參數(shù)相關(guān)：
短路電流：VGE在16.5V以上時(shí)短路電流會增大，降低模塊的短路承受能力；
飽和壓降：VGE在13.5V以下時(shí)，相同集電極電流下的飽和電壓VCE(sat)會變大，從而易導(dǎo)致熱破壞，因此，如果VGE電壓過低時(shí)應(yīng)該采取措施停止開關(guān)繼續(xù)工作。
開通時(shí)刻的電流上升率(di/dt)：di/dt會隨著VGE的增加而加
圖7.2 VGE 對HVIGBT飽和壓降的影響
通常情況下，在HVIGBT關(guān)斷時(shí)，為了防止在HVIGBT在集電極-發(fā)射極電壓上出現(xiàn)的dv/dt噪聲引起開關(guān)誤開通，必須在柵極上施加關(guān)斷反向偏壓。我們推薦HVIGBT的反向偏壓VGE為-15V。反向偏置電壓會影響到HVIGBT的關(guān)斷損耗以及關(guān)斷時(shí)刻的dv/dt等參數(shù)。表7.1所示為柵極電壓對HVIGBT特性參數(shù)的影響：
1.1.3 驅(qū)動(dòng)電阻的選擇
Rg對HVIGBT的開關(guān)表現(xiàn)影響很大，首先會直接影響到HVIGBT的開通和關(guān)斷速度，而HVIGBT的開通和關(guān)斷速度和開關(guān)損耗是緊密相連的，因此HVIGBT的產(chǎn)品規(guī)格書中會給出下表，列舉了不同的Rg所對應(yīng)的開關(guān)損耗。但是更快的開關(guān)速度同時(shí)也導(dǎo)致開通和關(guān)斷時(shí)候的電流和電壓的變化率很大，會對HVIGBT以及反并聯(lián)二極管的安全工作區(qū)造成影響，因此Rg的選取原則是在確保安全工作的條件下降低開關(guān)損耗。
Rg(on)和HVIGBT的開通時(shí)間和開通損耗有關(guān)，減小Rg(on)會使得HVIGBT的開通時(shí)間更短，并減小開通損耗。但是，減小Rg(on)會對HVIGBT反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)過程有影響，會使二極管反向恢復(fù)的di/dt更大，并使反向恢復(fù)損耗Err增加, 對二極管的安全工作很不利。因此Rg(on)的選擇要在HVIGBT和反并聯(lián)二極管之間做權(quán)衡，減低損耗的同時(shí)確保兩者都不超出安全工作區(qū)。
Rg(off)和HVIGBT的關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗有關(guān)，Rg(off)越小，關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗越小。同理，關(guān)斷時(shí)間快，會導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)候的電流變化率di/dt很大，在雜散電感的影響下，會在HVIGBT的集電極和發(fā)射機(jī)上產(chǎn)生浪涌電壓，對HVIGBT的安全造成威脅。
因此，柵極電阻是根據(jù)開關(guān)損耗和浪涌電壓均衡考慮來選定最佳值，不同使用場合(使用條件)選用的最佳Rg值也不一樣。
有時(shí)候?yàn)榱朔謩e控制HVIGBT的開通和關(guān)斷特性，則開通和關(guān)斷時(shí)候使用不同的電阻值，具體的電路設(shè)計(jì)如下圖：
由于HVIGBT等功率器件都存在一定的結(jié)電容，所以會造成器件導(dǎo)通關(guān)斷的延遲現(xiàn)象，如果一個(gè)橋臂未完全關(guān)斷，而另一橋臂又處于導(dǎo)通狀態(tài)，會造成上下橋臂直通，如果保護(hù)不及時(shí)會造成模塊損壞。因此，在控制中，人為加入上下橋臂同時(shí)關(guān)斷時(shí)間，以保證驅(qū)動(dòng)的安全性，我們稱這個(gè)時(shí)間為死區(qū)時(shí)間（定義如圖7.8所示）。死區(qū)時(shí)間大，模塊工作更加可靠，但會帶來輸出波形的失真及降低輸出效率。死區(qū)時(shí)間小，輸出波形要好一些，只是會降低可靠性。死區(qū)時(shí)間的計(jì)算需要考慮到驅(qū)動(dòng)器的延遲時(shí)間和HVIGBT的開通和關(guān)斷延遲時(shí)間, 死區(qū)時(shí)間一般是微秒級別的。
在圖7.9中：
t1：HVIGBT的開通信號在驅(qū)動(dòng)器上的延遲
t2：HVIGBT的開通延遲
t3：HVIGBT的關(guān)斷信號在驅(qū)動(dòng)器上的延遲
t4：HVIGBT的關(guān)斷延遲
圖7.9 控制信號，實(shí)際驅(qū)動(dòng)信號與死區(qū)時(shí)間的關(guān)系
由圖可見我們?nèi)藶樵O(shè)置的死區(qū)時(shí)間(TD)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器以及HVIGBT自身的開通和關(guān)斷延遲，最終在波形處反應(yīng)出的真正死區(qū)時(shí)間實(shí)際是TD’。從圖上可以看到，TD’可以由下式得出：
為了避免上下管之間的直通現(xiàn)象發(fā)生，TD’必須大于零，因此死區(qū)時(shí)間的設(shè)置應(yīng)滿足以下公式：
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