IGBT 的柵極驅動電壓Vge上的公尺勒平台時如何產生的?誰能用通俗的語言解釋一下?

時間 2021-06-06 06:20:03

1樓:段耀強

柵極電流給柵極電容充電,Q=CV,如果電容C不變那麼電壓V肯定上公升,這是我們通常理解的;如果此時公尺勒電容快速變化,同樣充電過程就會表現出V不變的現象,這就是公尺勒平台形成的原因

2樓:

水平受限,感覺沒法比較簡單的解釋,就將就著看看吧。

假裝分割線

不光IGBT,MOSFET驅動電壓同樣會產生公尺勒平台。要解釋清楚這個問題得從電路特點、器件本身特性兩個方面著手,從理解有源開關的硬開關開始。

1. 電路特點

公尺勒平台出現的典型場景是PWM變換器,或者說開關管開關感性負載,其電路特點具體表現為:開關管成對出現,成對的開關管與電壓源構成迴路的同時與電流源構成割集(低頻電容、電感分別等效為電壓源與電流源)。以如圖所示Buck變換器為例,根據KVL與KCL,有如下關係:

圖1. Buck變換器及S1開關過程 (a) Buck變換器 (b) S1與D1電壓電流波形

上述電壓電流關係與二極體自身特性是造成有源開關硬開關主要原因,也是公尺勒平台出現的原因之一。

2. 器件特性、硬開關與公尺勒平台

1)二極體特性與硬開關

對二極體,忽略反向恢復,則無論何種情況,二極體本身特性決定了其電壓電流不能重疊,如圖1(b)D1電壓電流波形所示。則根據開關管、二極體電壓電流關係,可知開關管電壓電流波形必須重疊,如圖1(b)S1電壓電流波形所示,即有源開關S1為硬開關。理解了S1電壓電流波形特點與硬開關之後則更容易理解整個開關過程與公尺勒平台的出現。

2)有源開關特性與公尺勒平台

圖2. S1開通過程

圖2(a)為S1開通時簡化的端電壓電流與驅動電壓波形(忽略IGBT的拖尾電流等),圖2(b)為IGBT的輸出特性曲線,同時體現S1開通時端電壓、端電流、驅動電壓的變化過程以及時間節點。以開通過程為例說明公尺勒平台。開關管關斷電壓為V(迴路電壓源電壓),導通電流為I(割集電流源電流),從開始至結束分為t0~t4共五個時間節點,開通高電平電壓VGG,門限電壓Vth。

根據驅動電壓vg與端電壓vCE關係,IGBT工作區域可分為截止區(vg < Vth)、線性區(vg > Vth,vCE > vg - Vth)與飽和區(vg > Vth, vCE < vg - Vth)。

t0時刻:S1施加開通訊號。如圖2(a)上所示,開通前S1關斷,端電壓為V,端電流為0;如圖2(a)下所示,門極電壓為零;如圖2(b)所示,vg < Vth,IGBT處於截止區。

t0時刻S1施加開通訊號,之後驅動電源通過驅動電阻給輸入電容充電(門極電容與公尺勒電容),門極電壓上公升;至t1時刻vg = Vth。注意t0 - t1時刻集電極電流為0,圖2(b)僅體現端電壓與門極電壓變化過程。

t1時刻:vg = Vth。如圖2(b)所示,t1時刻之後,vg > Vth,此時vCE = V > vg - Vth,則IGBT處於線性區,此時集電極電流受門極電壓控制。

驅動電源仍然通過驅動電阻給輸入電容充電,如圖(a)下所示,門極電壓上公升,則受門極電壓控制的集電極電流隨之上公升,如圖(a)上所示。由於前述二極體特性,S1端電壓被二極體鉗位,保持V不變,如圖(a)上所示。注意S1端電壓、端電流與驅動電壓的變化特點由圖2(a)、(b)同時體現。

t2時刻:iC = I,I為導通電流。如圖2(b)所示,t2時刻及之後,vg > Vth,vCE > vg - Vth依然成立,S1處於線性區,門極電壓受集電極電流控制(線性區門極電壓與集電極電流實質相互約束)。

t2時刻之後,集電極電流受圖1電流源鉗位,保持I不變,則受集電極電流控制的門極電壓維持Vg1不變,即出現公尺勒平台,如圖2(a)下所示。驅動電源同樣通過驅動電阻給輸出入電容充電,輸入電容Cin = Cge + Cgc(門極電容與公尺勒電容),由於門極電壓不變,則驅動電流全部流過公尺勒電容Cgc,給公尺勒電容放電,電流源I給集電極-發射極電容放電,則端電壓vCE下降,如圖2(a)上所示。同樣S1端電壓、端電流與驅動電壓的變化特點由圖2(a)、(b)同時體現。

t3時刻:vCE = vg - Vth。如圖2(b)所示,t3時刻之後,vg > Vth,vCE < vg - Vth,S1處於飽和區,門極電壓與集電極電流不在相互約束。

驅動電源通過驅動電阻給輸入電容充電,門極電壓上公升。由於驅動電壓上公升,則S1端電壓vCE繼續下降,如圖2(b)所示。端電流與上一過程相同,維持I不變。

同樣S1端電壓、端電流與驅動電壓的變化特點由圖2(a)、(b)同時體現。

t4時刻:vg = VGG。開通過程結束。

即公尺勒平台的出現是電路特性、二極體特性、有源開關特性三者相互作用的結果。

[1] Fundamentals of Power Electronics, 第三版,4.2.2節. 硬開關

[2] Jianjing Wang, Henry Shu-hung Chung and River Tin-ho Li. Characterization and Experimental Assessment of the Effects of Parasitic Elements on the MOSFET Switching Performance. 開通和關斷瞬態

3樓:青燈

失望。 @英飛凌 的回答只是描述了公尺勒平台的存在,並沒有對其形成的原因進行解釋。 @Blur 的回答有點解釋到點子上了,但是在導通開始的時候(或者說mosfet公尺勒平台剛開始的時候)Cgs遠大於Cgd,電容電流為i=Cdv/dt,僅僅用Cgd兩端的dv/dt大來解釋驅動電流全部流向Cgd,這顯然是不夠完整的,因為這忽略了Cgd相對Cgs很小。

4樓:英飛凌

IGBT的CGE之間存在寄生電容,這些寄生電容導致了IGBT開關過程的非線性。

IGBT開通過程可以分為三個階段:

驅動電流對Cge充電,門極電壓Vge上公升,器件開啟,電流開始上公升。此時Vce為母線電壓。

電流達到預定電流,Vce開始下降,門極驅動器的電流此時全部流向公尺勒電容,對Cgc進行充電。Cge不再被充電,因此門極電壓Vge保持不變,被稱作公尺勒平台。

公尺勒區結束,驅動同時對Cgc和Cge充電,門極電壓進一步公升高,同時Vce下降至器件的飽和電壓。

典型的電壓型驅動開通過程

5樓:Blur

實際上就是當cgs電壓達到開啟電壓以後,mosfet或igbt開始導通CE或DS之間電壓開始下降,這時Cgd開始通過驅動電阻放電,由於I=C*dv/dt,這時的Cgd的dv等於母線電壓減去驅動電壓,遠遠大於Cgs兩端的dv,所以驅動電流都去給Cgd充電去了,導致Cgs的電壓變化很緩慢,看著像有乙個台階一樣。

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