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IGBT串联栅极驱动端均压电路工作原理

作者:海飞乐技术 时间:2019-06-21 18:36

  综合上篇文章的静态、动态过程不均压因素的分析,对串联IGBT均压电路的设计有如下几个要求:
  1、为了减小不同IGBT的自身参数存在的差异,实际电路设计中尽量选取同一型号的IGBT,最好为同一厂家、同一批次生产出来的,以保证IGBT内部参数的一致性。
  2、由于驱动电路中栅极电阻Rg的取值会影响IGBT的开通和关断速度,因此,串联电路中的驱动电路参数应该保持一致。
  3、用同一信号控制串联电路中的驱动电路信号,保证驱动信号脉冲的上升时间和下降时间的一致性。
  4、驱动电路布局要尽可能完全相同,这样就可以减小由于极间电容不同引起的IGBT开通与关断时间上的差异。
  均压电路设计指标:在高压条件下,IGBT全部关断时,每个IGBT两端电压相同,最大误差不超过5%,其中最大误差为IGBT两端实际电压与平均电压的最大差值除以平均电压;IGBT导通时的脉冲下降沿时间和关断时脉冲上升沿时间均小于1μs,每个IGBT之间的开关延迟时间小于300ns。
  本文串联均压实验采用栅极驱动端均压电路改善动态均压。电路原理图如图1所示。图2为栅极驱动端均压电路局部电路图。

IGBT串联均压电路图 
图1 IGBT串联均压电路图
栅极驱动端均压电路局部电路图 
图2 栅极驱动端均压电路局部电路图
 
  根据图2可以看出,均压电路由两个电阻、两个电容、一个二极管、一个栅极电阻组成。其中R11是静态均压电阻,当IGBT关断时两端分得的电压主要由R11电阻决定,一般取IGBT关断电阻的1/10。R21为动态均压电阻,C21通过R21放电,电阻值不应过大,并远小于R11,取R11的1/100。C11电容是动态均压电容,当IGBT开通和关断瞬间两端电压值突变时,C11应阻止电压瞬变,C11应远大于C21。为了有足够的能量均压,C11取IGBT门极电容Cies的100倍,C21的值等于Cies。
 
  以两个IGBT组成的串联电路为例,栅极驱动端均压电路的具体工作原理如下:
  1、IGBT开通过程:IGBT1、IGBT2同时开通过程中,驱动电路输出信号由负电压变化为正电压,IGBT两端电压由VCC/2逐渐减小为零的过程中,由于C11两端电压值不可以瞬间发生很大改变,C11开始对C21反方向充电,C11电压为上正下负,C12电压上负下正。二极管D截止,两个电容通过静态分压电阻R11、R21放电。
  2、IGBT静态导通:假设两个串联开关IGBT1、IGBT2均处于导通状态,驱动电路输出为高电平,两个IGBT两端电压均为零。
  3、IGBT关断过程:IGBT1、IGBT2开始关断,驱动电路输出信号由正逐渐变为负,流过IGBT集射极电流逐渐减小最后变为零,两端承受电压不断升高,由于C11电容值很大,其两端电压不会突变,因此C21两端电压由上负下正变为零电压。因此IGBT两端承受的电压为电容C11的电压值,即VIGBT1=VIGBT2=VC11+VC21=VC11=VCC/2。
  4、IGBT静态关断:当IGBT1、IGBT2处于关断状态时,驱动电路输出信号为负,IGBT两端电压主要有静态分压电阻R11、R21决定,VIGBT1=VIGBT2=Vcc/2。
  5、IGBT驱动延时:如果两个驱动电路的栅极信号产生了时间差,IGBT1优先导通,后导通的IGBT2两端电压上升速率就会增快。由于C12的电容值远大于C22的电容值,C12相当于一个电流源,在IGBT2两端承受的电压突然变高的情况下,C22就会被C12充电,C21电压极性变为上正下负,C21增大的电压会加在IGBT2的栅极,增大栅极驱动电压,这就会加快IGBT2的导通。当IGBT1优先于IGBT2关断,IGBT1两端电压上升速率变大,均压电路调控过程同上,IGBT1栅极驱动电压会变大,减缓其关断速度。
 
  综上所述,栅极驱动端均压电路静态均压过程为:每个IGBT两端分到的电压的关键是并联电阻R11的大小选择,当每个电阻R11设定相同的大小时,每个IGBT两端电压值就会维持平均分配的稳定状态,从而达到静态均压的目的;动态均压过程为:电容C11两端的电压不可以瞬间发生很大的改变,关断过程中,先关断IGBT的电流会转移到和它并联的电容C21上,缓慢增加栅极电压,减缓关断速度;开通过程中,先开通的电压转移至后开通的IGBT栅极上,加速其开通速度。




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