IGBT模塊的開關損耗與性能的關系以及大功率電源中IGBT電壓與驅動能力的關系
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IGBT模塊的開關損耗與性能的關系以及大功率電源中IGBT電壓與驅動能力的關系
IGBT的研制中，要求功率開關器件降低損耗、提高效率、提高性能。開關器件的損耗分為兩類，一類是器件的通態正常(導通)損耗;另一類是從通態向斷態(從斷態向通態，轉換的開關損耗。IGBT的主要技術特性有集電極—發射極間飽和電壓VCE(sat)特性，開關特性tf(斷開時間toff和導通時間ton之和)。IGBT的擊穿性能看閉鎖性能、短路性能、di/dt、dv/dt性能。
(1)改進開關特性的技術
為改進開關特性所研制的技術主要是使濃度與層的厚度達到最佳化，減少成為儲存載流子的空穴，使IGBT 特有的集電極電流拖尾減少。通過單元圖形的最佳化減少輸入阻抗RG，使功率MOSFET部分柵極電荷充放電時間高速化，在高速化功率器件的基礎上所采用的技術是縮短載流子的壽命時間。作為壽命時間限制方法一般常采用重金屬擴散和電子射線照射等方法，通過壽命時間的控制可以控制IGBT集電極電流Ic的關斷特性。，降低功率MOSFET部分的柵極電容量，可使充放電時間達到高速化。
(2)降低 VCE( sat)技術
降低VCE(sat)技術是通過濃度、層的厚度及深度的最佳化來降低電阻部分，借助精細化，提高單位面積的電流密度，使Lg與Ls比達到最佳化，擴大功率MOSFET部的反型層(溝道))單位芯片面積，減少溝道電阻。
利用開關特性的改進技術，加大壽命時間限制量，開關特性能實現高速化，在IGBT中，VCE(sat)與開關特性tf處于相關關系中，借助壽命時間控制，在該相關關系上可以找到所需要的任意工作狀態。
(3)提高性能技術
為提高IGBT擊穿性能，采用IGBT提高性能的技術，抑制了IGBT內部寄生NPN 晶體管工作及IGBT內部電場和電流的集中，使IGBT擊穿性能得以提高。
IGBT模塊的開關損耗與性能的關系以及大功率電源中IGBT電壓與驅動能力的關系
IGBT作為電壓控制型開關器件，IGBT的開關由柵極的電壓控制。大家都知道柵極電壓升高，IGBT導通，柵極電壓低，IGBT關斷。但是使用的時候還是很容易忽略柵極導通電壓的高低對IGBT導通特性的影響。
IGBT和MOS管一樣，N溝道IGBT的導通依靠柵極吸引P型半導體的電子形成N溝道達到導通的效果，只是IGBT把這個導通效果進行了放大以達到大電流開關的目的。也就是說只要柵極的電壓越高，N溝道的電子也就越多，IGBT的通流能力越大。作為典型的大功率開關器件，為了提高電流控制能力，IGBT要求導通的時候柵極電壓越大越好。但是由于工藝的限制，一般的IGBT柵極耐壓只能做到20V。為了驅動的安全，大部分的IGBT廠家將IGBT的標準導通電壓設定為了15V。
設計IGBT驅動器的時候，要有一個提供驅動能量的隔離電源。電源的一般特性為，當輸出電流提高時，由于線路阻抗的影響，負載端的實際接收電壓就會降低。也就是說，同樣一個驅動器，如果驅動一個50A的IGBT時驅動電壓是15V，那么同樣頻率下驅動一個200A的IGBT時驅動電壓就可能只有13V。而IGBT在13V的驅動電壓下顯然不能有效控制200A的電流，可能只能正常控制150A的電流。這時就會感覺到這個IGBT驅動器的驅動能力不足了。因此，限制一個驅動器的驅動能力的因素大部分時候不是由于驅動器的驅動電流不足，而是驅動電源的電壓下降導致驅動電壓不足。
還有一種情況就是，現有的隔離電源正電壓一般采用標準電壓15V輸出。后端加了驅動電路后，由于驅動電路驅動管的壓降，驅動器本身的輸出電壓就會比供電電源電壓低。這時就會進一步加劇驅動能力不足的現象。
為了充分發揮驅動器的驅動能力，一般在設備調試的時候，要讓IGBT驅動器的滿載驅動電壓控制在15V左右。實現的方法為給驅動電路一個可以調節輸出電壓的電源。
大功率開關電路多為三相全橋電路，一般100A的IGBT驅動電源輸入功率不會超過3W，那么三相六個IGBT的驅動功率就不超過18W。由于每個隔離驅動電源的功率很小，并且存在很強的共模干擾，因此不允許使用穩壓電源。這時可以用一個VRB2415LD-20WR2給六個IGBT驅動電源統一供電。這樣既保證了電源總線電壓的波動不會影響IGBT驅動電源的供電，同時使用VRB2415LD-20WR2的Trim腳可以對輸出電壓進行微調，從而實現IGBT驅動電壓的最終調整。
這里需要注意的是，選用的IGBT隔離驅動電源應當有輸出電壓可以跟隨輸入電壓變化的特性，比如QA電源系列的QA01配合VRB2415LD-20WR2給IGBT驅動器供電時就可以很好的調整驅動器的驅動電壓。
以上的內容，就是IGBT電壓與驅動能力的關系，以及對應的調節方法。文中介紹的這套方法主要是針對大功率電源的，在有IGBT參與的大功率電源設計中，大家可以留意一下在驅動方面的調節方法。希望大家在閱讀過本文之后能夠有所收獲。
IGBT模塊的開關損耗與性能的關系以及大功率電源中IGBT電壓與驅動能力的關系
