大功率IGBT栅极驱动电路的研究

在大功率IGBT应用系统中,脉冲变压器隔离的栅极驱动电路由于能得到相对较高的隔离电压,可实现较高开关频率等优点,被广泛应用。在高压大电流IGBT特性分析的基础上,从实践出发对IGBT驱动电路的影响因素做了深入的研究,并探讨了IGBT栅极驱动电路设计注意的几个问题。对很有实际应用价值的脉冲变压器隔离的IGBT栅极驱动电路及其相应芯片进行了分析研究。由此可以更深刻地理解IGBT的驱动电路及其影响因素,这对正确使用IGBT器件及其驱动电路的设计有一定的实用价值。     

负载波动下IGBT损坏分析及驱动电路优化设计

通过对变频控制系统的4种常用驱动电路的工作特点进行分析,并从维修的角度总结了这些驱动电路的工作可靠性,结论是可靠性比较高的变频器的驱动电路能有效地隔离输出级对控制级的影响并能有效地吸收栅极的各种干扰信号。对IGBT建立了工作模型进行分析,认为当电机负载波动时,冲击电压会在IGBT栅极产生振荡电压信号,该电压信号能使本该截止的IGBT导通,结果造成上下桥的IGBT直通,导致IGBT损坏;提出优化的IGBT驱动电路结构,设计了一种可靠的驱动电路方案,通过实际使用证明,该驱动电路具有结构简单、运行可靠等优点。     

绝缘栅双极晶体管IGBT特性与研发（二）

功率器件的不断发展，使得其驱动电路也在不断地发展，相继出现了许多专用的驱动集成电路。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。图4为一典型的IGBT驱动电路原理示意     

大功率IGBT串联电压失衡机理及均压方法

由于IGBT串联器件参数差异、栅极信号延时以及分布电感不一致等,导致IGBT串联器件在开关过程中存在电压分配不均的现象。IGBT电压分配不均匀会导致个别器件因电压过高而被击穿,进而导致整个串联系统故障。主要从集一栅极电容Ccg不同、栅极电阻Rg不同和驱动电路信号延时这三个方面研究了IGBT串联电压不均的机理,通过仿真对比了RCD缓冲电路、栅极驱动端均压电路和有源钳位均压电路的串联均压效果,为研究IGBT串联电压不均的方法提供了理论基础。     

需要注重IGBT栅极驱动和保护电路设计的可靠性

IGBT实际应用中的一个重要问题是其栅极驱动和保护电路的设计。IGBT的栅极驱动条件关系到它的静态和动态特性,     

适用于IGBT串联的有源钳位动态电压均衡电路研究

为解决由栅极驱动信号不同步引起的多个IGBT串联电压不均衡问题,以实现串联IGBT在大功率高电压场合中的应用,笔者采用基于栅极端电压均衡技术的有源钳位动态电压均衡电路实现动态电压均衡,该电路具有响应速度快、损耗小、可靠性高等优点。通过建立IGBT串联仿真和实验电路,对该均压辅助电路进行仿真分析和实验验证。结果表明,该均压辅助电路在IGBT串联运行时不仅能够很好地抑制IGBT栅极驱动信号不同步造成的电压不均衡,而且能够有效防止过电压的发生,确保了IGBT串联的安全运行。     

臭氧电源驱动保护电路的改进与实现

针对大功率臭氧电源中采用EXB841直接驱动IGBT时所存在的负栅压不足、过流保护阈值太高、虚假过流以及过流无自锁等缺陷,提出了几点改进方法:用外接稳压管替代EXB841内部稳压管以提高负栅压;适当提高EXB841的电源电压,采用24V直流电源供电,并通过阈值检测电路实现过流阈值的精准和连续调节,以保证正向驱动电压;采用不对称的开启和关断方法,IGBT开通时栅极串接电阻较小,而IGBT关断时栅极串接电阻较大,从而使过电压减小,以改善控制脉冲的前后沿陡度和减少集电极尖脉冲;采用锁定保护电路以防止虚假过流并锁定过流。最后设计并测试了优化驱动电路。试验测试结果表明:该优化电路克服了原EXB841典型驱动电路的缺陷,极大地改善了IGBT的驱动与保护性能,具有实用价值。     

高压大功率器件用高温栅偏测试装置研制

为准确评估硅IGBT和碳化硅MOSFET等高压大功率器件不同电应力及热应力条件下的栅极可靠性,研制了实时测量皮安级栅极漏电流的高温栅偏（high temperature gate bias,HTGB）测试装置。此外,该测试装置具备阈值电压在线监测功能,可以更好地监测被测器件的状态以进行可靠性评估和失效分析。为初步验证测试装置的各项功能和可靠性,运用该测试装置对商用IGBT器件在相同温度应力不同电应力条件下进行分组测试。初步测试结果表明老化初期漏电流逐渐降低,最终漏电流大小与电压应力有良好的正相关性,栅偏电压越大,漏电流越大。该测试装置实现了碳化硅MOSFET器件和硅IGBT器件对高温栅偏的测试需求且适用于各种类型的封装。     

IGBT模块驱动及保护技术

对IGBT栅极驱动特性，栅极串联电阻及其驱动电路进行了探讨，提出了慢降栅压过流保护和过电压吸收的有效方法。     

高压直流断路器组件内IGBT关断瞬态电压过冲的关键影响参数

基于绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)的全控型混合式高压直流断路器是多端柔性高压直流输电工程的关键设备,其半导体组件内IGBT关断瞬态电压过冲是工程中需重点关注的问题,该文以典型的IGBT全桥拓扑结构的半导体组件为例,研究了半导体组件内部的母排杂散电感对IGBT关断瞬态电压过冲的影响,揭示了母排杂散电感对IGBT关断瞬态电压过冲的影响机理,获得了IGBT关断瞬态电压过冲关于组件内不同母排中杂散电感的灵敏度;在研究高压直流断路器中IGBT关断机理的基础上获得了包括IGBT器件本身的物理特性参数在内的影响关断瞬态电压过冲的关键参数及其影响规律,最后通过试验验证了理论分析的正确性。研究结果表明:组件内电容支路杂散电感对IGBT关断瞬态电压影响最大,其应作为重点优化对象;除杂散电感外,IGBT的栅极氧化层电容、关断过程集射极电压快速上升时对应的拐点电压以及栅极驱动电阻为影响IGBT关断瞬态电压的关键参数,且均与关断瞬态电压呈负相关性。该研究结论可为半导体组件内部杂散电感的控制、栅极驱动电阻的选择以及IGBT器件的选型或定制提供指导。     

基于驱动电压调节的IGBT结温跟踪管控策略及实现

针对变流器在运行过程中由于频繁和大范围的随机出力变化,导致IGBT模块内部结温剧烈波动,影响器件运行可靠性的问题,提出并探讨了通过调节栅极驱动开通电压实现功率器件结温平滑跟踪管控策略的思想和具体实现方法。利用一种简化的IGBT损耗分析模型,阐述了驱动电压大小对IGBT损耗的影响,并通过双脉冲实验进行了验证。根据结温变化趋势的大小自动调节驱动电压,在不影响变流器输出性能的同时最大程度减少结温波动,并且具有较快的响应速度。构建了基于一种新型应力测试电路的结温跟踪管控实验平台,实验结果表明,该结温跟踪管控策略具有可行性和有效性,减小了器件承受的热应力冲击。     

IGBT驱动和保护问题

对于变频器IGBT驱动保护问题来说,驱动就是使IGBT按需要工作,即使之导通和关断,IGBT是一个双极型电压控制的全控型电力电子开关,只需在栅射极间加一个所需电压或反电压就可以。但由于IGBT驱动、保护方式直接关系列IGBT寿命、输出波形畸变率,甚至包括系统可靠性与稳定性,这样就不那么简单并且需要深入研究。IGBT的驱动电路很多,分立元件搭成的驱动电路简单且廉价;专用集成驱动电路保护功能完善、性能稳定,但价格稍贵些。现在一般都选用商品化的驱动集成电路或模块作为驱动保护器件,     

IGBT短路保护的控制策略分析

简述了硅整流器和晶闸管的短路保护的基本方法,即利用交流电网侧加适度的电抗器、器件串联快速熔断器.但是这种方法仅适用于电流过零关断的工作条件,对于工作在硬开关条件下的IGBT不适用;分析了IGBT在短路模式下的工作状态、短路保护需要的时限以及其他相关元件对IGBT短路状态的承受能力;指出在短路保护过程中降低栅极电压减缓关断速度是IGBT短路保护的有效手段.     

基于IR2214芯片的大功率IGBT晶体管驱动及保护电路的设计

针对逆变需要的1200V大功率IGBT晶体管,分析了其栅极驱动特性,介绍了一种可驱动高压大功率IGBT的集成驱动IC IR2214芯片,并根据其特性设计了一种典型的应用电路。试验验证表明,该驱动电路具有良好的驱动及保护能力。     

ABB4500V/1200A IGBT动态参数测试研究

研究了应用于轨道交通领域的ABB 4 500 V/1 200 A绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件在不同测试条件下动态特性参数的变化趋势,得到IGBT器件在不同结温、集电极电流以及栅极驱动测试条件下的动态参数。根据系统运行实际需求,对此类IGBT器件在损耗、电压、电流变化等方面有更深入的认识,使器件的应用更具有针对性,借此来提升系统的运行效率。     

IGBT栅极驱动电阻的选择

栅极电阻对IGBT的动态特性有很大的影响。对栅极驱动电阻的选择进行了探讨,分析了栅极电阻选择不当可能引起的几种问题,并给出了选择办法。     

高频电源模块驱动电路设计

在IGBT的使用过程中,驱动电路选择的合理性和设计是否正确是影响其推广使用的问题之一。IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dv／dt等参数均与门极驱动条件密切相关。因此,设计合理、性能优越的驱动电路是高频电源模块运行可靠的保证。本文介绍了驱动器M57962AL的特点以及选用该驱动器实现的IGBT驱动电路。     

基于IGBT的短脉冲大电流开断特性研究

为确定绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在直流微网中开断大电流的能力,搭建IGBT短脉冲大电流开断试验平台。在此基于HENFER模型进行IGBT参数的提取,通过Saber软件进行IGBT的电热耦合仿真,搭建额定电压与额定电流600 V/40 A的IGBT测试试验电路,以100μs,200μs,500μs,1 ms等不同的关断时间差进行IGBT大电流开断特性研究。结果表明,随着栅极驱动电压的提高,IGBT的开断能力不能增强,但相应的关断时间差会发生改变。试验规律为中低压领域直流微网中IGBT的应用提供了参考依据,具有一定工程应用意义。     

基于无磁芯变压器的IGBT/MOSFET隔离驱动技术

本文分析了开关电源中大功率器件栅极驱动的必要性和以往运用光电耦合器和脉冲变压器实现MOSFET/IGBT隔离驱动的优缺点,介绍了一种新颖的隔离驱动技术——基于无磁芯变压器的IGBT/MOSFET隔离驱动技术,分析了无磁芯变压器技术的原理及脉冲信号的传输,最后给出了它的一个应用实例。     

IGBT小电流开通失效研究及结构改进

对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在小电流开关测试失效进行了分析研究,对IGBT栅极和集电极的电压电流波形监测发现,IGBT在小电流开通时电压电流波形存在严重的振荡问题,电压幅值超过器件最大额定值,导致器件失效。分析了IGBT芯片电容和栅极电阻对小电流开通振荡的影响,通过对IGBT芯片结构进行改进,将小电流振荡抑制在安全值范围内,解决了IGBT小电流开通失效问题,改进后的IGBT器件性能参数和应用测试温升接近国外竞品。