Характеристика затвора и динамические свойства IGBT

Драйвер изолированного затвора MOSFET/IGBT, как связующее звено между контроллером и силовым каскадом, является одним из ключевых компонентов преобразовательного устройства. Характеристики схемы управления во многом определяют параметры самого преобразователя - величину статических и динамических потерь, скорость переключения, уровень электромагнитных помех. С этой точки зрения расчету режимов управления и выбору драйвера следует уделять самое пристальное внимание.

Поведение IGBT в динамических режимах в первую очередь зависит от значения емкостей затвора, а также внутреннего и внешнего импеданса цепи управления.

На рисунке 1 показаны основные паразитные емкости переходов, нормируемые в технических характеристиках:

C_GE - емкость «затвор - эмиттер»;

C_CE - емкость «коллектор - эмиттер»;

C_GC - емкость «затвор - коллектор» (или емкость Миллера).

Емкости затвора не изменяются с температурой, а их зависимость от напряжения «коллектор-эмиттер» становится более выраженной при снижении значения V_CE. Заряд затвора Q_G, определяемый значениями C_GC и C_GE, является ключевым параметром при расчете мощности, рассеиваемой схемой управления.

Поведение IGBT при его открывании полностью определяется характеристикой заряда затвора. Упрощенные эпюры напряжения «затвор-эмиттер» V_GE, тока затвора I_G, тока коллектора I_C и напряжения «коллектор-эмиттер» V_CE в процессе перехода транзистора в насыщенное состояние представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Упрощенные эпюры процесса включения IGBT

Процесс включения IGBT условно можно разделить на три этапа, которые связаны с первичным зарядом входной емкости C_GE, зарядом емкости Миллера C_GС и, наконец, полным зарядом C_GE, идущим до насыщения транзистора.

Рассмотрим более подробно процесс включения транзистора, эпюры которого представлены на рисунке 2. На отрезке времени t₀ происходит начальный заряд входной емкости затвора C_GE. Для упрощения будем считать, что заряд производится постоянным током, поэтому данному этапу соответствует первый линейный участок нарастания напряжения V_GE, который продолжается до момента времени t₁. В этой точке напряжение затвора достигает порогового значения отпирания транзистора V_GE(th). В зависимости от свойств транзистора и импеданса цепи управления, ток затвора I_G на данном участке может достигать значения в несколько десятков Ампер. Поскольку до точки t₁ напряжение затвора находится ниже порога отпирания, отсутствует ток коллектора I_C, а напряжение «коллектор-эмиттер» V_CЕ остается равным напряжению питания V_CC.

Как только сигнал управления становится выше порогового значения, начинается включение IGBT, характеризующееся ростом тока коллектора до значения, ограничиваемого нагрузкой (I_Cload). Сказанное справедливо при использовании идеального оппозитного диода, в реальных схемах амплитуда тока в момент включения несколько превышает величину I_Cload. Причиной этого является процесс обратного восстановления диода, в результате чего ток восстановления Irr добавляется к I_C на время перехода диода в непроводящее состояние. Именно поэтому напряжение V_CE на отрезке времени t₁ остается на прежнем уровне.

Далее сигнал управления затвором достигает величины V_GE(pl), носящей название «плато Миллера», она поддерживается в течение промежутков времени t₂ и t₃. На этом же этапе после полного выключения оппозитного диода начинается спад напряжения коллектора V_CE, скорость которого dV_CE/dt во время t₂ достаточно высока. Она снижается на промежутке t₃, в течение которого транзистор переходит в насыщенное состояние. Все это время в соответствии с графиком, приведенным на рисунке 1b, емкость Миллера C_CG возрастает и заряжается частью тока затвора I_GС, что и обусловливает стабилизацию сигнала управления затвором на уровне V_GE(pl).

В начале временного отрезка t₄ транзистор уже полностью включен, а емкость C_CG - заряжена. Экспоненциально спадающий ток затвора продолжает поступать во входную емкость C_GE, доводя напряжение на ней до максимального значения V_GE(on), определяемого схемой управления. В конце данного этапа величина V_CE достигает своего минимума, называемого напряжением насыщения V_CEsat.

При выключении транзистора описанные процессы происходят в обратном порядке.

Измерение характеристик затвора

На рисунке 3а показана схема, которая может быть использована для измерения заряда затвора. Включение и выключение IGBT производится от источника стабилизированного тока +I_G/-I_G.

К транзистору прикладывается напряжение питания V_CC, амплитуда импульса тока коллектора I_Cpulse ограничена величиной нагрузки R_L. Поскольку ток затвора стабилен, напряжение V_GE изменяется линейно на каждом временном участке, так же линейно, в соответствии с соотношением Q_G = I_G × t идет накопление заряда. Вследствие этого, изменение напряжения на затворе оказывается эквивалентно характеристике затвора: V_GE = f(t) « V_GE = f(Q_G), как показано на рисунке 3b. Данный метод определения характеристики Q_G описан в документе IEC 60747-9, Ed.2: «Semiconductor Devices - discrete Devices - Part 9: Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBT).

Если в спецификации транзистора приводится только положительная область характеристики, то суммарное значение Q_G может быть определено с помощью экстраполяции, как показано на рисунке 3с. Светло-зеленый прямоугольник представляет собой квадрант величин, нормированных в технических характеристиках. С помощью параллельного переноса этой зоны вдоль графика Q_G до значения V_G(off) можно получить характеристику, расположенную в 1 и 3 квадрантах.

Заряд затвора Q_G можно также определить расчетным способом на основании величины входной емкости Ciss:

Q_G = C_G × (V_G(on) - V_G(off)), где C_G = k_C × Ciss

Коэффициент пересчета емкости затвора k_C определяется в соответствии с выражением k_C = Q_G(ds)/(Cies × (V_G(on) - V_G(off))),

где Q_G(ds) - номинальное значение заряда, нормируемое в спецификациях при заданных напряжениях управления V_G(on)/V_G(off).

Ток затвора и выходная мощность драйвера

Мощность, необходимая драйверу для коммутации IGBT, является функцией частоты коммутации fsw и энергии E, необходимой для заряда и разряда емкостей затвора. Таким образом, выходная мощность схемы управления изолированным затвором P_GD(out) определяется по следующей формуле: P_GD(out) = E × fsw.

В свою очередь величина Е зависит от значения заряда затвора Q_G и перепада управляющего напряжения dV_G: E = Q_G × (V_Gon - V_Goff). Отсюда результирующее выражение для определения мощности драйвера: P_GD(out) = Q_G × (V_Gon - V_Goff) × fsw.

Еще одним важным параметром является величина тока затвора I_G, которого должно быть достаточно для коммутации упомянутых выше емкостей и, следовательно, для переключения IGBT. На рисунке 4 показано, как распределяется ток управления затвором IGBT I_G между его входными емкостями C_GE и C_GC.

Минимальная величина I_G может быть рассчитана следующим образом: I_G=I_GE + I_GC = Q_G × fsw.

В свою очередь пиковое значение тока затвора I_Gpeak, определяющее скорость перезаряда Q_G, непосредственно влияет и на скорость переключения IGBT. При увеличении значения I_Gpeak сокращается время включения t_on и выключения t_off и соответственно уменьшаются коммутационное потери. Это неизбежно влияет и на другие важные динамические свойства IGBT, например, на величину коммутационного всплеска напряжения при выключении, зависящего от скорости спада тока di/dt. С этой точки зрения повышение скорости коммутации является в большей степени негативным фактором, снижающим надежность работы устройства.

Теоретическое пиковое значение тока затвора определяется по формуле I_Gpeak = (V_G(on) - V_G(off))/(R_G + R_G(int)), где R_G(int) - внутренний импеданс цепи управления, включающий резистор, устанавливаемый внутри модуля IGBT. На практике амплитуда тока оказывается несколько меньше расчетного уровня из-за наличия распределенной индуктивности цепи управления.

Максимально допустимое значение выходного тока, как и минимальная величина R_G, как правило, указывается в спецификации драйвера. Необходимо учесть, что несоблюдение требований по ограничению предельной величины I_Gpeak может привести к выходу схемы управления из строя.

Выбор драйвера

При выборе устройства управления затвором IGBT необходимо принимать во внимание следующие требования:

• справочное значение среднего тока драйвера I_Gav должно быть выше расчетного значения, а максимально допустимая величина его пикового тока I_Gpeak должна быть равной или превышать реальное значение, ограниченное импедансом цепи управления;
• выходная емкость схемы управления (емкость, установленная по питанию выходного каскада) должна быть способной запасать заряд (Q_C = C × U), необходимый для коммутации IGBT;

С помощью приведенных выше формул и выражений разработчик может определить все необходимые параметры схемы управления затвором. Для автоматизации этого процесса специалисты компании SEMIKRON разработали простую программу DriverSEL, позволяющую определить все необходимые параметры и произвести выбор соответствующего драйвера.

Программа DriverSEL доступна для свободного пользования на сайте компании http://www.semikron.com/ . Следует отметить, что она позволяет проводить анализ режимов работы схемы не только при управлении модулем IGBT (или их параллельным соединением) SEMIKRON, но и любого другого производителя. В первом случае параметры цепи затвора берутся из встроенной базы данных, во втором они должны быть описаны пользователем с помощью меню «User Defined Module Parameters».

На рисунке 5 показано рабочее окно программы DriverSel, состоящее из трех фрагментов: меню ввода данных, результаты расчетов и типы драйверов, рекомендуемые SEMIKRON для заданных режимов работы.

Рис. 5. Рабочее окно программы DriverSel

Для расчета DriverSel необходима следующая информация:

1. тип модуля (в данном случае SEMiX 653GD176HDc), при этом программа получает из базы данных информацию о заряде затвора QG, рабочем напряжении и конфигурации модуля;

2. количество параллельно соединенных модулей - это число позволяет определить суммарный заряд затвора, на основании чего производится расчет мощности, рассеиваемой драйвером;

3. рабочая частота fsw - информация, также необходимая для определения рассеиваемой мощности;

4. номинал резистора затвора.

Если выбрать режим «User Defined Module Parameters» (параметры модуля, определяемые пользователем), то появится дополнительное меню, состоящее из трех окон:

• Gate charge per module (заряд затвора модуля в мкКл);
• Collector - Emitter Voltage (напряжение «коллектор - эмиттер»);
• Number of switch per module (количество ключей в модуле: 1- одиночный ключ, 2- полумост, 6- 3-фазный мост, 7- 3-фазный мост с тормозным чоппером).

Для корректной работы DriverSel, требуется указать два значения заряда затвора: для напряжения открывания транзистора +15 В и напряжения запирания -8 В.

Величина резистора затвора R_G необходима для вычисления пикового тока управления. На основании полученных данных программа будет выбирать драйвер с соответствующим значением предельного тока. Если номиналы резисторов для режимов включения и выключения R_Gon/R_Goff различаются, то нужно использовать минимальное значение. Если величина резистора неизвестна, можно задать величину 10 Ом, при этом необходимо учесть, что рекомендуемое минимальное значение R_Gmin будет показано в результатах расчетов.

Введя требуемые данные, Вы получите в результате рекомендации «Suggestion for SEMIKRON IGBT driver» в виде, представленном в нижней части рисунка 2:

• Number of Drivers- необходимое для данного модуля количество схем управления (например, три полумостовых драйвера для 3-фазного модуля);
• I_outPEAK- пиковое значение выходного тока драйвера, определяемое по формуле I_outPEAK= V_GE/R_G;
• I_outAVmax, R_Gmin, V_S- справочные значения среднего тока, минимального резистора затвора и напряжения питания для драйвера данного типа.

Программа выдает замечание «A suitable driver could not be found», если для заданных условий корректно выбрать устройство управления невозможно. Это может быть в случае, если суммарный заряд затвора оказывается недопустимо большим (большое количество параллельно соединенных модулей), слишком велика частота коммутации или указанный резистор затвора меньше минимально возможного значения.

Литература

1. Материалы сайта http://www.semikron.com/  

2. Application Manual Power Modules, SEMIKRON International

3. M. Hermwille, «Plug and Play IGBT Driver Cores for Converters», Power Electronics Europe Issue 2, pp. 10-12, 2006

4. M. Hermwille, «Gate Resistor - Principle and Application», Application Note AN-7003, SEMIKRON

5. P. Bhosale, M. Hermwille, «Connection of Gate Drivers to IGBT and Controller», Application Note AN-7002, SEMIKRON

6. IEC 60747-9, Ed.2: Semiconductor Devices - Discrete Devices - Part 9: Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBTs)

7. M. Hermwille, IGBT Driver Calculation, Application Note AN-7004, SEMIKRON

8. А. Колпаков. «DriverSEL - простой и эффективный инструмент разработчика». Силовая Электроника ╧2, 2005.