7-IGBT模块及驱动电路的应用技巧和经验分享

IGBT模块及驱动电路的应用技巧和经验分享EricYang中文技术支持电话：400-0755-6692017.02技术支持邮件：[e-mail]内容提要1门极波形与IGBT饱和压降（VCEsat）的关系IGBT短路保护原理及测量驱动器短路响应时间的方法二极管正向恢复效应及对短路保护电路的影响IGBT的正向恢复效应引起驱动器误保护绘制IGBT关断时运行轨迹绘制二极管反向恢复时的运行轨迹IGBT损耗测量©2017PowerIntegrations|饱和压降（VCEsat）的关系IGBT开通过程介绍t0~t1：VGE未达到开启电压值VGEth，VCE保持高电位，集电极电流IC保持为0；t1时刻：VGE达到开启电压值，IC开始快速上升；t1~t2：VGE未到达米勒平台，VCE保持高电位不变，图中VCE的少许跌落是回路中的杂散电感造成；t2~t3：VGE到达米勒平台起始端，VCE开始迅速下降，并在t3时刻下降到很低的点；t3~t4：VCE下降速度已经很缓慢，但由于米勒电容Cgc变得非常大，米勒效应仍然很显著，VGE仍然稳定在米勒平台；t4~t5：米勒平台结束，VGE继续上升，同时VCE继续下降，但是下降的幅度非常小，肉眼已经察觉不到，这一阶段的米勒效应也非常微弱；t5时刻：VGE到达最大值且此后保持稳定，米勒效应结束，IGBT进入饱和区，且此后VCE保持稳定。©2017PowerIntegrations|结论：IGBT的VCE电压在米勒平台的起始时刻开始下降；VGE电压达到最大值的时候，VCE电压进入饱和，且此后保持稳定；IGBT的瞬态开通过程结束；IGBT的饱和压降VCEsat实际上是IGBT门极电压达到最大值以后的压降；此外，IGBT的饱和压降还受流过的IC电流和芯片结温的影响。©2017PowerIntegrations|饱和压降（VCEsat）的关系4使用二极管做集电极检测的短路保护原理（1）：当IGBT关断时，T1导通，电流源1被T1旁路，Ca的点位被钳在低位，比较器不翻转。当IGBT进入开通的过程中，T1截止，IGBT进入饱和导通，电流源1流过Rm，Dm及IGBT形成回路，比较器不翻转。当IGBT出现短路时，会退出饱和区，VCE快速上升至直流母线电压，Dm马上截止，电流源1则向Ca充电，Ca的电位线性上升，到达门槛时比较器翻转。电流源1©2017PowerIntegrations|使用二极管做集电极检测的短路保护原理（2）：电容Ca的作用是定时，因为被恒流源充电，其电压线性增长，表达式为：CtIU从这个时刻起，IGBT就只能耐受10us的时间，因此Ca承担着定时的作用，在10us内比较器就要翻转，从比较器翻转到IGBT关断，中间不再有延迟Ca定时的时间长短由电流源数值，电容值以及比较门槛决定。二极管Dm的截止时刻就是IGBT退出饱和区的起始时刻，同时也是电容被充电的起始时刻Dm的截止时刻可以看成是驱动器发现IGBT短路的时刻电流源1©2017PowerIntegrations|使用二极管做集电极检测的短路响应时间的测量方法如右图所示，将二极管Dm的阴极与IGBT断开，保持悬空状态将示波器探头接在输入信号INA、故障信号SO和输出VGE上，以SO下降沿做触发信号给驱动器上电，发PWM波，则SO会报故障下拉，波形被抓住，VGE的宽度则是短路响应时间电流源1T1IGBT短路保护原理及测量驱动器短路响应时间的方法©2017PowerIntegrations|使用电阻串做集电极检测的短路保护原理（1）：VrefVcesatCOMVcet(us)PWMFailureGLVE2SC0435TpartofonechannelshownRg(on)Rg(off)GHVceMonitoringVCEVISOCOMACLREF+-COMVISORth120kCxRvceBAS4160.6...1mA150uA4.7k左下图中，我们使用电阻串Rvce取代高压二极管Dm，来做集电极电位检测右下图为功能示意图，横轴电压参考点为IGBT的发射极（VE）当IGBT关断时，内部MOSFETT1打开，定时电容Cx上电压被钳在COM(红点)，电压起不来，比较器不能翻转；此时集电极的电位很高，电流会流过电阻串Rvce，然后经过BAS416，流入VISOT1IGBT短路保护原理及测量驱动器短路响应时间的方法©2017PowerIntegrations|使用电阻串做集电极检测的短路保护原理（2）：VrefVcesatCOMVcet(us)PWMFailureGLVE2SC0435TpartofonechannelshownRg(on)Rg(off)GHVceMonitoringVCEVISOCOMACLREF+-COMVISORth120kCxRvceBAS4160.6...1mA150uA4.7k当驱动器发出开通指令，T1马上关断，此时定时电容Cx开始被充电，短路检测开始生效，IGBT进入导通的过程中，Vce快速下降，下图中，蓝点电位向红点充电，红点最开始处于COM的电位，被充电至饱和压降Vcesat，并达到平衡状态当IGBT发生短路时，IGBT会出现退饱和现象，Vce(蓝点)会迅速上升，红点因此也会被充电而上升，当其到达绿线的门槛时，比较器翻转，故障被报出来IGBT短路保护原理及测量驱动器短路响应时间的方法©2017PowerIntegrations|使用电阻串做集电极检测的短路响应时间的测量方法：VrefVcesatCOMVcet(us)PWMFailureGLVE2SC0435TpartofonechannelshownRg(on)Rg(off)GHVceMonitoringVCEVISOCOMACLREF+-COMVISORth120kCxRvceBAS4160.6...1mA150uA4.7k将BAS416直接短接或通过1k电阻短接将示波器探头接在输入信号INA、故障信号SO和输出VGE上，以SO下降沿做触发信号给驱动器上电，发PWM波，则SO会报故障下拉，波形被抓住，VGE的宽度则是短路响应时间IGBT短路保护原理及测量驱动器短路响应时间的方法©2017PowerIntegrations|短路保护原理及测量驱动器短路响应时间的方法©2017PowerIntegrations|续流二极管有反向恢复效应，这点已被人们所熟悉这种二极管也存在正向恢复效应正向恢复发生在二极管开通的时刻，见下图在下管IGBTT2关断瞬间，T2上的电流要转移至上管续流二极管D1在这一瞬间，如图中红圈所示的时刻，D1发生正向恢复过程正向恢复时刻，二极管的阳极电位要比阴极电位高很多，且会持续数百纳秒根据二极管的类型和应用环境，该电压可以是几伏到几百伏的水平UVceD1T2+-©2017PowerIntegrations|的IGBT模块具体测试波形在关断下管IGBT的瞬间，观察上管二极管D1的电流及电压可以看到，D1开通的时刻，二极管的阳极电位比阴极要高，峰值大约150V，持续时间为300~400nsUVceD1T2+-蓝色---电压红色---电流©2017PowerIntegrations|©2017PowerIntegrations|正向恢复效应是二极管的固有属性，其发生的原因这里不做讨论在绝大多数情况下，正向恢复效应不会产生什么问题，所以通常很少被讨论但是下面几点需要注意：二极管温度越高时，正向恢复效应越强烈，幅值及时间都会较长二极管换流时开通电流的di/dt越大，正向恢复效应的电压幅值越高电压越高，电流越大的器件，正向恢复效应越强不同品牌的器件，即使是同一电压或电流等级，正向恢复效应程度也许会有所不同二极管正向恢复效应及对短路保护电路的影响14正向恢复效应对使用二极管的短路保护电路的影响（1）D1正向恢复时，其阴极电压远小于阳极电压，这会让驱动器短路保护管脚Cx上产生一个很大的负压这个负压会导通驱动器内部的体二极管，Cx管脚瞬间往外输出一个很大的电流ICx，很容易造成驱动器的Cx管脚损坏为了将此电流限制到一个不会损坏驱动器的水平，需要增加一个电阻Rm来增大回路的阻抗+-ICxD1从抑制ICx电流的角度，Rm的值越大越好；但太大的话，其自身的压降会导致IGBT饱和压降的检测阈值变低；一般在几百欧姆水平驱动器芯片内部的体二极管©2017PowerIntegrations|正向恢复效应对使用二极管的短路保护电路的影响（2）电阻Rm虽然限制了电流ICx，但这只能防止驱动器造成损坏，短路保护电路仍然是一个低阻抗回路此电流水平的ICx在正向恢复效应更加剧烈时，仍有可能造成驱动器芯片内部闩锁，驱动器有可能出现误保护的情况推荐在短路保护管脚对地增加一个高速二极管，如右图所示该二极管可将短路保护管脚Cx钳位至地，并旁路电流ICx+-D1低阻抗回路ICx©2017PowerIntegrations|二极管正向恢复效应及对短路保护电路的影响正向恢复效应对使用电阻串的短路保护电路的影响根据不同应用，电阻串RVce一般在1MΩ以上，因此短路保护电路是一个高阻抗回路正向恢复效应引起的负压在回路中产生的电流非常微弱，不足以对驱动器造成影响因此，使用电阻串的短路保护电路，不需要考虑IGBT续流二极管的正向恢复问题GLVE2SC0435TpartofonechannelshownRg(on)Rg(off)GHVceMonitoringVCEVISOCOMACLREF+-COMVISORth120kCxRvceBAS4160.6...1mA150uA4.7k高阻抗回路+-D1©2017PowerIntegrations|的正向恢复效应引起驱动器误保护在某些特定的情况下，检测VCEsat的短路保护电路会出现误动作，最有可能出现在动态过程中伺服系统以及谐振开关等应用中，当电流过零点时，IGBT会出现正向恢复效应（也叫IGBT的被动开通），有可能触发短路保护误动作IGBT的正向恢复效应：给IGBT施加了栅极电压，IGBT已经开通，但是集电极没有电流流过；然后突然有电流流过IGBT，IGBT两端会出现一个较大的电压抬升，这个电压比IGBT的饱和压降要大很多；我们把这个现象叫做IGBT的正向恢复效应，也叫IGBT的被动开通下面我们以谐振开关为例，介绍IGBT的正向恢复效应。©2017PowerIntegrations|、VGE以及负载电流波形初始状态时（t0之前），T1是打开的，负载电流方向从左往右，负载电流在负半轴；此时T2的VCE电压为高IL+-©2017PowerIntegrations|时刻，T1关断，负载电流通过二极管D2续流，方向不变由于D2导通，则T2的VCE电压迅速下降为D2的压降t0~t1阶段，T2保持关断状态，但其VCE电压一直为低IL+-©2