1. 前言
  超快速的IGBT模块具有非常短的上升时间和下降时间,对应很小的开关损耗,通常用于20kHz以上频率的开关电源,应用中常常因寄生电感产生过电压,为了抑制过电压:一是模块的设计者优化模块内部结构,减少模块寄生电感;二是使用者优化主电路结构,减少电路中的寄生电感;三是采用吸收电路和增加栅极电阻等方法。采用吸收电路和增加栅极电阻方法都会增加开关损耗或外围器件的损耗。本文采用一种新方法,保持器件的快速开关特性,在Uce达到母线电压之前减小dv/dt,使IGBT模块开关损耗降为最小,同时抑制了过电压。
 
  2. 设计考虑
  在电路布线寄生的杂散电感是所有开关电源中的一个关键问题,在功率只有几瓦的小电源上,一个快速的关断过程就会引起与所储能量和开关速度成比例的过电压冲击。对于大功率电源来说,需要选择有较大富余量的器件抑制过电压,增加了整机的成本。高的开关电压也会增加导通损耗,降低整机效率。所以,我们面临的问题就是如何在提高开关速度并保持高效的同时,避免大的过电压冲击及由此引发的其他问题。
 
  3. IGBT关断时的过电压
  完全消除杂散电感是不可能的,关断时总会有过电压。显然,线路寄生杂散电感应最大限度地减小,有许多方法可以实现。封装在模块内的器件的结构决定了电感的大小,模块电感的大小反映器件制造者对电感问题的理解程度及在设计上考虑的多少。减小线路电感可以通过缩小整个电路有效回路的面积来实现,而最有效的方法就是采用分层布线结构。这样,线路储能大大减小,在给定的开关速度下,过电压将会大大降低。另外,在整个线路上多加些退耦电容会进一步减小线路电感,但这些电容必须是低阻抗和低感抗的。有许多方法可以抑制过电压尖峰,它们都会增加开关器件的耗散功率。一种方法就是增加栅极串联电阻Rg来抑制dv/dt,使开关速度减慢,可以分别针对开通和关断,显著减小过电压尖峰,同时增加了开关损耗。图1显示了在1个360V/200A线路中使用的600V/200A的超快速IGBT模块的关断过程产生过电压尖峰的情况。由于R_g(on)对开通影响不大,可以忽略。Rg(off)分别为08、108、158、208、308,表1给出了开关损耗的递增情况。

 

 

 
  如图1所示,R_g(off)增加到108时,开关损耗增加了1倍,而尖峰电压只降低了13%。这样600V的器件就可以工作在一个合理的安全范围内,其代价就是降低了效率。
 
  4. 抑制过电压的新方法
  理想的情况是在Uce达到主电路电压之前控制dv/dt,使器件尽可能地快速关断(包括抑制反并联二极管的dv/dt),然后抑制dv/dt,减小过电压尖峰,这样就可以做到超快IGBT模块工作在最小开关损耗的同时也减小了过电压尖峰。实现此过程的基本方法就是在关断时以08的门极阻抗释放门极电荷,如果dv/dt太高的话,可以以1个小的门极阻抗值释放门极电荷,直到Uce达到主电路电压值。然后将门极释放路径切换到另一个高阻抗的通路。图2给出了一个实现此过程的方法。用此方法,输入驱动信号直接通过VD₈旁路掉R₃,获得快的上升时间。Q₁和Q₂的栅极输入正信号,Q₁关断和Q₂导通,将Q₃和Q₄的栅极电位降到地,使Q₃导通和Q₄关断。Q₃的漏极电流通过R₁注入IGBT门极,IGBT处于开通状态。Q₅的栅极与输入驱动信号相连,在IGBT导通期间Q₅是关断的。关断IGBT时,Q₁导通和Q₂关断,Q₃和Q₄栅极电位抬高,Q₃关断和Q₄导通。在同一时刻,Q₅栅极电位降低,Q₅导通。IGBT门极电荷立刻通过R₄释放,可以使R4短路释放或依据IGBT的dv/dt参数设置一定的电阻值释放。Uce开始上升。

 

 

 
  当IGBT集电极电压上升到齐纳二极管VD₁的击穿电压时,VD₁导通,电流通过C₁注入Q₅栅极,关断Q₅。此脉冲非常窄,足以关断Q₅。当Q₅不再泄放IGBT门极电荷时,门极电荷通过R₂释放,减慢关断速度,减小了过电压尖峰。齐纳二极管VD₂参数选为12~15V,防止IGBT门极被击穿。图3给出了新电路改变Rg过电压变化曲线示意图。图4给出了此线路中选用不同R_g(off)=R₄=R₂电阻值的试验线路。表2给出了相应的关断能量损耗E_off值。试验线路中若选用R₂>R₄或R₂更大,R₄更小,其关断损耗会接近6mJ,实现抑制过电压减少损耗更为理想。

 

 
  5. 结论
  在开关电源线路中,超快速IGBT模块的内部结构减少寄生电感是重要的;主电路结构优化设计,多层布线方法减少寄生电感更为重要。

 

  抑制过电压的新方法可以做到在不受dv/dt限制的情况下降低过电压尖峰,IGBT的开关损耗降低了一半。