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最小化半橋式馬達控制應用中的IGBT擊穿電流
 

【作者: JunHo Lee】   2015年09月21日 星期一

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半橋式電路中的IGBT尤其常見於馬達控制應用。圖騰柱式(totem pole)佈局創造出一種需要最佳柵極電阻設計的場景。優化步驟是基於開關功耗、產生的 EMI,擊穿電流和故障觸發之間的權衡。所有這些因素都隨應用環境變化,包括匯流排電壓和開關電流量,這些綜合起來確定IGBT的大小。IGBT的大小決定器件的寄生元件,包括相關電容。一旦知道了寄生和系統參數,就可以選擇最佳的柵極電阻值。


在設計半橋式佈局中的柵極驅動時,應認真考慮圖1中Rg_on和 Rg_off 的值。較低的Rg_on值會使 IGBT 的速度更快,因此能夠減少開關能耗。由於開關時間減少,高電壓和高電流狀況持續的時間較短。然而,快速開關速度可能會產生一些負面效應,如 EMI 增加,並可能會出現意外的擊穿電流。在這些負面效應中,本文將介紹的是意料之外的擊通電流。如圖 1所示,該擊穿電流會透過將相反 IGBT 柵極充電至超過閾值電壓的點而導致寄生導通。當一個 IGBT 導通時,會對相反 IGBT 柵極施加上升的 dvce/dt 電壓。上升電壓為米勒電容 (Cgc) 充電。因此,充電電流可透過下列方程式描述︰


Eq. Icharging = Cgc X dvce/dt


該電流流入柵極電容 Cge和Rg_off,如圖1中的藍線所示。基於Rg_off、Cge和電流,會在IGBT 的柵極和射極兩端產生一個電壓。如果柵極-射極電壓高於IGBT 柵極-射極閾值電壓 (VGEth),則產生擊穿電流,如圖1中的紅線所示,並繪製出綠色波形,如圖2所示。



圖1 : C?dv/dt電流和寄生導通
圖1 : C?dv/dt電流和寄生導通

圖2 : 因 C?dv/dt效應產生擊穿電流時的真實開關波形
圖2 : 因 C?dv/dt效應產生擊穿電流時的真實開關波形

為了防止出現這種現象,可以採用的方法便是增大IGBT的閾值VGEth。但是,IGBT的Vce(sat)行為與 VGEth之間存在一定的取捨。增大柵極閾值電壓會導致額外的功耗,因為IGBT飽和電壓Vce(sat) 會增大。因此,就效率而言,VGEth 的增大存在局限性。鑑於此,應該控制這種現象的發生,透過在考慮固定 IGBT 特性如寄生電容和 VGEth時選擇合適的柵極電阻值實現。


為了優化柵極控制電阻,知道影響圖2中觀察到的「Vge 衝擊(bump)」的各種外部因素相互作用是必要的。


「Vge衝擊」電平會因下列A到D項描述關係中的因素增大︰


A.較大的 Rg_off → 增大Vge bump,


B.較低的 Rg_on → 快速上升的 dvce/dt → 增大 C?dv/dt 電流 → 增大 Vge 衝擊,


C.高柵極控制電壓→ 快速上升的 dvce/dt → 增大 C?dv/dt 電流 → 增大 Vge 衝擊,


D.高 DC 總線電壓→ 快速上升的 dvce/dt → 增大 C?dv/dt 電流 → 增大 Vge 衝擊,及


E.低集電極電流→ 快速上升的 dvce/dt → 增大 C?dv/dt 電流 → 增大 Vge 衝擊。


因素C、D和E與作業條件相關。為了最小化擊穿電流和產生的「Vge 衝擊」,應在最壞的C、D和E條件下考慮因素A和B。


圖3 顯示如何透過調節柵極關斷速度將開關內波形優化到基本消除電流擊穿的點。總而言之,為了阻止或減少這種穿通問題,推薦採用幾種調節方法,如表1所示。圖3顯示調節方法減小Rg_off 的值的實例。推薦採用其他調節方法,最小化擊穿電流的效應,同時優化開關性能和效率。該表格總結了可以嘗試的調節方法、預期效應和可能的缺點。建議嘗試各種調節方法,從而獲得最佳情況,能夠在最大化效率的同時最小化產生的擊穿電流和 EMI。



圖3 : 透過減小 Rg_off 進行優化的實例
圖3 : 透過減小 Rg_off 進行優化的實例
表1 優化IGBT半橋式開關過渡過程的調節方法

調節方法

預期效應

缺點

Rg_off ↓

較低的Vge衝擊

增大關斷dvce/dt和浪通電壓

Rg_on ↑

低 dvce/dt e低Vge衝擊

開關導通能耗增加

IGBT柵極與發射極
之間的額外電容

較低的Vge衝擊

開關導通能耗增加

+/-柵極電壓控制(如 關斷狀態下為-15V)

較低的Vge衝擊

昂貴的


馬達控制設技工具的優點

*因輸入資料範圍改變開關及導通損失


*支援Sine PWM、Space Vector PWM 及四種間斷模式 PWM


*指定馬達頻率下的紋波溫度(ΔTj);預測模組的長期可靠性


*以圖形顯示低變頻器輸出頻率下的接面溫度紋波


*散熱器的散熱要求滿足既定標準


*結合算式與實證結果計算損失,提供額外的資料正確度


(本文作者JunHo Leeb任職於快捷半導體)


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