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影响串联IGBT分压不均衡的因素

作者:海飞乐技术 时间:2019-06-19 14:24

  IGBT串联应用的关键,是保证各IGBT集-射极两端电压VCE的均衡性。在IGBT工作时,有瞬态开通、导通、瞬态关断、关断四种工作状态。在这些工作状态下,导通和关断是一种稳定状态,可以成为稳态或静态。在这种状态下,IGBT两端电压基本不会发生变化。瞬态开通、瞬态关断是动态工作过程,在这种工作状态下,IGBT两端电压会发生很快的跳变。对于不同的工作状态,造成IGBT两端电压分配不均衡的因素也会有很大的不同。对于每一个影响因素我们也要采取不同的均压措施。因此在设计IGBT串联均压电路之前,研究造成IGBT串联电路分压不均的因素是保证电路稳定运行的关键。本文将影响IGBT分压不均衡的因素分为静态因素和动态因素。
 
  1. 影响串联均压静态因素
  1.1、IGBT输出伏安特性的差异
  IGBT在开启时,IGBT两端电压大小为自身的导通压降,IGBT伏安特性的不同导开启阶段时的导通压降存在着很大区别。只要流过IGBT的电流大小在额定范围内,IGBT就能够处于安全工作状态。当IGBT关断时,其自身相当于一个大电阻,串联时两端的分压主要由IGBT本身的阻断电阻大小决定,即与IGBT漏电流有关。由于制造工艺技术的局限性,流过IGBT的漏电流会有一定差异。漏电流越大,阻断电阻越小,串联分得的电压越小。

  1.2、温度的差异
  IGBT正常工作时,温度也是影响其特性的一个主要因素。在IGBT关断时,IGBT的漏电流会随着温度的升高而变大,从而导致IGBT关断电阻减小。在IGBT串联工作时,每个IGBT的温度都会有所不同,这样就会导致静态分压严重不均衡。结温较低的IGBT静态分压会增大,如果温度差异过大可能会损坏IGBT。
 
  2. 影响串联均压动态因素
  引起IGBT串联不均压的原因主要有两个方面:一是IGBT自身参数不一致,IGBT极间电容大小的不同导致开关不同步,先导通的IGBT承受较大电压,容易烧毁;二是外围电路设计不一致,栅极驱动电路的电阻大小及驱动信号时间不同步会影响开关速度和开关顺序,导致分压不均。并联在IGBT两端吸收电容参数的不一致也会引起分压不均。

  图1为IGBT内部结构示意图,由于IGBT制造工艺的差异,会造成内部寄生电容CGC、CGE、CCE大小不同,这会使IGBT的开启、关断速度也会有差异。IGBT关断时间里包含着关断拖尾电流的时间,如果因为自身参数的原因造成电流拖尾时间不同,那么串联使用时就会导致每个IGBT关断时间不一致,先关断的IGBT承受较大的电压。

IGBT内部结构示意图 
图1 IGBT内部结构示意图
 
  IGBT的开通、关断速度受外围驱动电路中栅极电阻Rg的影响。在串联电路工作时,如果其中一个驱动电路的电阻Rg较小,那么流过相应IGBT的电流会大于其它IGBT所在支路的电流。栅极驱动信号幅值同时由负变为正或由正变为负时,栅极电阻Rg小的IGBT就会率先开启或关断,导致电压分配不均衡。由于该IGBT的集射极两端承受了较大的过电压,很容易产生浪涌电压,击穿开关器件。

  驱动电路输出栅极驱动信号的不同步也会导致IGBT在开启和关断时的瞬态电压分布不均衡。驱动电路的控制信号需要经过一系列电子元件、导线及栅极电阻的传输,最终到达IGBT的栅极。这个过程中会使每个栅极驱动信号之间有一定的时差,使串联IGBT在不同的时间节点开启、关断。先开启或者先关断的IGBT就会承担较大的过电压。




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