本篇文章简单介绍IGBT工作时序及门极驱动计算方法,引入大电流驱动IC以及门极保护TVS,同时罗列了不同品牌碳化硅MOSFET所耐受驱动电压,借此介绍非对称TVS新产品的实用性,欢迎感兴趣人士交流、沟通。
IGBT工作时序
如下为典型IGBT驱动时序展开波形:
T0-阶段:门级电流Ig给Cge充电,此时Vge电压小于阈值电压Vgeth,因此IGBT处于关断状态,Vce电压维持在Vcc。
T1阶段:当Vge电压超过阈值Vgeth时,IGBT进入开启状态,工作在线性区,Ic电流开始上升到负载电流Icload,而实际工作时,由于续流二极管的存在,其反向恢复电流会叠加到IGBT上,该电流上升会超过负载电流,在Vge达到米勒平台电压前,Vce两端电压为Vcc,有源钳位就是利用IGBT工作在线性区的原理来吸收回路当中多余的能量,这个在TVS有源钳位保护里面有详细的介绍。
T2阶段:Vge维持在米勒平台电压Vgepl,当续流二极管电流下降为零时,Vce开始急剧下降。
T3阶段:Vce下降到饱和压降Vcesat,此时驱动电流给Vgc电容充电,Vge维持在米勒平台。
T4阶段:IGBT彻底导通,此时门级电流Ig给Cge充电直到设定的驱动电压,驱动电流下降为零,侧面反映了IGBT属于电压驱动型器件。
IGBT驱动算法:
以IGBT为例,规格书通常会给出门极电荷Qg_int,门极输入电容Cies,规格驱动楷体电压Vgon_spec以及关断电压Vgoff_spec,内部驱动电阻Rg_int。以及通过选型设定外部电阻Rg_ext,实际工作驱动电压Vgon_act、关断电压Vgoff_act与开关频率fsw。
从而可以算出峰值驱动电流Igpk:
通过初始Qg_int、门极输入电容Cies以及初始门极驱动电压可折算出门极电容系数Kc:
通过门极电容系数可以反推回去实际驱动电压下所需的门极电荷量Qg_act:
此时的平均工作电流Ig_av为电荷量与开关频率fsw乘积:
驱动所需能量Eg_act为:
根据驱动能量与开关频率可以得出所需的驱动电路功率Pg_act:
通过简单的算式可以实际驱动电路所需的驱动功率与峰值电流,下图为Littelfuse原IXYS低边驱动IC,其中IXD_600系列峰值电流可以达到30A,可以用于大功率模块以及多分立器件并联的使用。
驱动线路过压保护
由于线路串扰、感性与容性负载的存在,使得功率器件驱动与功率回路都会受到过压导致的损坏情况,主回路当中可以通过外接缓冲吸收回路,也可以通过门极串联TVS来做有源钳位的方式,门极通过并联TVS的方式可以起到尖峰电压吸收,参考电路图如下。
门极保护通常会通过并联TVS或者Zener管的方式来实现过压保护,TVS最大优势为其能承受更大的浪涌冲击能力。TVS工作机理如下,为钳位型器件,在浪涌过来后达到其击穿电压,二极管进入雪崩区域,此时吸收浪涌电流急剧增加,而电压能钳制在稳定范围,从而起到良好的过压保护效果。
Littelfuse工业级TVS产品系列
从最小封装SOD-123 200W到SMC DO-214AB封装8kW,以及雷击浪涌吸收到10kA的LTKAK系列。
汽车级产品汇总
其中最小封装SOD-123 400W以及SMC封装5kW已经量产,SLD5/6/8 DO-263封装兼容DO-218焊盘,最大功率15kw插件产品。
Littelfuse开发出了小封装SOD-123 400W产品,负压为-5V,正压19V,同时可以根据客户需求调整正向电压,该产品为IGBT与碳化硅MOSFET非对称提供保护,单颗TVS即可实现正负电压的保护,节省占板空间。
非对称TVS为针对市场提出的新产品,欢迎有兴趣人士沟通、交流以及提供意见。