Некоторые особенности управления изолированным затвором IGBT

Опубликовано 29.01.2011 Ведущий Филипп Болгов

Любому разработчику электроники знаком термин «драйвер». В силовой электронике так называют микросхему или устройство, управляющее полупроводниковым модулем (MOSFET, IGBT, тиристор и т.д.) и выполняющее защитные и сервисные функции. Главной задачей, решаемой схемой управления затвором, является согласование уровней импульсов, вырабатываемых контроллером, с сигналами управления входами силовых ключей.
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.
Емкости затвора не изменяются с температурой, а их зависимость от напряжения «коллектор-эмиттер» становится более выраженной при снижении значения обратного напряжения. Заряд затвора, определяемый значениями емкостей затвор-эмиттер и затвор-коллектор, является ключевым параметром при расчете мощности, рассеиваемой схемой управления.
Поведение IGBT при его открывании полностью определяется характеристикой заряда затвора. Мощность, необходимая драйверу для коммутации IGBT, является произведением частоты коммутации и энергии, необходимой для заряда и разряда емкостей затвора. В свою очередь величина этой энергии зависит от значения заряда затвора и перепада управляющего напряжения - отсюда результирующее выражение для определения мощности драйвера.
Еще одним важным параметром является величина тока затвора, которого должно быть достаточно для коммутации упомянутых выше емкостей и, следовательно, для переключения IGBT. В свою очередь пиковое значение тока затвора, определяющее скорость перезаряда, непосредственно влияет и на скорость переключения IGBT. При увеличении значения пикового тока затвора сокращается время включения и выключения, и соответственно уменьшаются коммутационное потери, но 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. Максимально допустимое значение выходного тока, как и минимальная величина сопротивления затвора, как правило, указывается в спецификации драйвера. Необходимо учесть, что несоблюдение требований по ограничению предельной величины тока затвора может привести к выходу схемы управления из строя.
Таким образом, при выборе устройства управления затвором IGBT необходимо принимать во внимание следующие требования:
• справочное значение среднего тока драйвера должно быть выше расчетного значения, а максимально допустимая величина его пикового тока I 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, необходимый для коммутации IGBT.