IGBT驅(qū)動電路參數(shù)計算詳解

1、IGBT驅(qū)動電路參數(shù)計算詳解大功率IGBT 模塊在使用中驅(qū)動器至關(guān)重要，本文介紹在特定應(yīng)用條件下IGBT門極驅(qū)動性能參數(shù)的計算方法，經(jīng)驗公式及有關(guān)CONCEPT 驅(qū)動板的選型標(biāo)準(zhǔn)，得出的一些參數(shù)值可以作為選擇一款合適IGBT驅(qū)動器的基本依據(jù)。1 門極驅(qū)動的概念I(lǐng)GBT存在門極-發(fā)射極電容Cge，門極-集電極電容Cgc，我們將IGBT的門極等效電容定義為Cg，門極驅(qū)動回路的等效電路如下圖所示：其本質(zhì)是：一個脈沖電壓源向RC電路進(jìn)行充放電，對于這個電壓源，有2個物理量我們需要關(guān)心，1.它的功率；2.它的峰值電流。2 驅(qū)動功率的計算驅(qū)動器是用來控制功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。為了實現(xiàn)此功能，驅(qū)動器對功率器

2、件的門極進(jìn)行充電以達(dá)到門極開通電壓VGE_on，或者是對門極進(jìn)行放電至門極關(guān)斷電壓VGE_off。門極電壓的兩種電平間的轉(zhuǎn)換過程中，在驅(qū)動器門極驅(qū)動電阻及功率器件組成的回路中產(chǎn)生一定的損耗。這個參數(shù)我們稱為驅(qū)動功率PDRV。驅(qū)動器必須根據(jù)其所驅(qū)動的功率器件所需的驅(qū)動功率來選擇。驅(qū)動功率可以從門極電荷量QGate，開關(guān)頻率fIN，以及驅(qū)動器實際輸出電壓擺幅VGate 計算得出：PDRV = QGate * fIN * VGate        (Eq. 1)備注：PDRV: 驅(qū)動器每通道

3、輸出功率；fIN: IGBT開關(guān)頻率；QGate :IGBT門極電荷，可從規(guī)格書第一頁查出，不同IGBT該數(shù)值不同；VGate:門極驅(qū)動電壓擺幅，等于驅(qū)動正壓+U 和負(fù)壓U 之間差值。如果門極回路放置了一個電容CGE (輔助門極電容)，那么驅(qū)動器也需要對該電容進(jìn)行充放電，如圖1 所示：圖1.帶外接阻容的門級驅(qū)動只要CGE 在一個周期內(nèi)被完全的充放電，那么RGE 值并不影響所需驅(qū)動功率。驅(qū)動功率可以從以下公式得出：P DRV = QGATE * fIN *VGATE + CGE * fIN*VGATE2  

4、  (Eq. 2)這個功率是每個IGBT 驅(qū)動時必須的，但門極的充放電是沒有能量損失的，這個功率實際上損失在驅(qū)動電阻及外部電路中。注意：這個功率是表示在電路中實際需要的，而在驅(qū)動電路中的其它損耗（包括供電電源損耗）不包含在內(nèi)。驅(qū)動器中DC/DC 變換器的總輸出功率在concept 公司智能驅(qū)動板說明書中被標(biāo)明了，對于半橋電路驅(qū)動器，由于總變換器功率被標(biāo)明了，因此總輸出功率的一半即是每個通道的功率。另外，還有一部分功率損失在驅(qū)動電路元件中?？偣β蕮p耗通常是由一個靜態(tài)的、固定的損耗加上最終驅(qū)動損耗組成。Concept 驅(qū)動板靜態(tài)損耗描述如下：IHD215/280/680 每個通道0.4W

5、IHD580FX 每個通道0.8WIGD608/615AX 整個板0.5WIGD508/515EX（無光藕元件） 0.5W在IGD508/515 中，光藕的發(fā)送及接收所損失的功率應(yīng)被計算在內(nèi)。光藕接收器所用的5V 電源是由外部16V 供電電源線性變換得來，這部分的損耗應(yīng)該用16V 乘以電流計算，而不是用5V 計算。每個通道的靜態(tài)損耗也可通過測量得到，具體如下：斷開輸入側(cè)的電壓供應(yīng)（DC/DC 變換器的逆流），16V 的電壓直接加在Cs ， COM 腳兩端（等效副邊電容）。驅(qū)動板在靜態(tài)時的消耗電流（沒有輸入脈沖時）同有脈沖工作時一樣，能夠直接從電路中的電流表讀出。以上公式是在門極驅(qū)動電流不發(fā)生諧

6、振的條件下得出的。只要這個開關(guān)過程是IGBT 門極從完全打開到完全關(guān)斷或者反過來，則驅(qū)動功率并不依賴于門極電阻及占空比的變化而變化。接下來我們來看如何確定門極電荷量QGate。3 門極電荷量QGate 絕不能從IGBT 或MOSFET 的輸入電容Cies 計算得出。Cies 僅僅是門極電荷量曲線在原點(VGE=0V)時的一階近似值。在IGBT 手冊中的電容值Ciss，在實際電路應(yīng)用中不是一個特別有用的參數(shù)，因為它是通過電橋測得的，由于測量電壓太小而不能到達(dá)門極門檻電壓，在實際開關(guān)中增加的內(nèi)部回饋效應(yīng)（Miller 效應(yīng)）在測量中未被包括在內(nèi)。在測量電路中，一個25V 的電壓加在集電極

7、“C”上，在這種測量構(gòu)架下，所測結(jié)電容要比Vce0V 時要小一些。因此，Ciss 僅僅只能在IGBT 互相作比較時使用。我們在選擇和設(shè)計IGBT 驅(qū)動器時經(jīng)常會碰到一些問題和不確定因素。部分原因是廠家對IGBT 描述的不夠充分；另一方面是由于IGBT 手冊中所給的輸入結(jié)電容Ciss 值與在應(yīng)用中的實際的輸入結(jié)電容值相差甚遠(yuǎn)。依據(jù)手冊中的Ciss 值作設(shè)計，令許多開發(fā)人員走入歧途。對于設(shè)計一個驅(qū)動器來講，最重要的參數(shù)是門極電荷，在很多情況下，IGBT 數(shù)據(jù)手冊中這個參數(shù)沒有給出，另外，門極電壓在上升過程中的充電過程也未被描述。功率半導(dǎo)體的門極電荷量曲線是極其非線性的。這就是為什么QGate 必須

8、通過對門極電荷量曲線在VGE_off 到VGE_on 的區(qū)域內(nèi)積分獲得。無論如何，門極的充電過程相對而言能夠簡單地通過測量得到。因而要驅(qū)動一個IGBT，我們最好使用一個專用的驅(qū)動器。除此之外，在設(shè)計中至少我們知道在應(yīng)用中所需的門極電壓（例如±15V）。首先，在負(fù)載端沒有輸出電壓的情況下，我們可以作如下計算。門極電荷可以利用公式計算：QidtCU確定了Q, 我們可以用示波器觀測門極電壓，同時電壓的上升U 在測量中也能在示波器上清楚的觀測到。（見下圖2）利用公式CINQ/U。實際的輸入電容能夠通過計算得到。尤其要注意的是，在應(yīng)用中，實際的輸入結(jié)電容CIN 在設(shè)計中是具有很大意義的。Cis

9、s 在折算中的經(jīng)驗公式對于SIEMENS 和EUPEC 的IGBT 而言，下面的經(jīng)驗公式經(jīng)過驗證是較為準(zhǔn)確可信的。CIN5Ciss （Ciss 可從IGBT 手冊中得到）如果QGate 在數(shù)據(jù)手冊中已給出，在實際應(yīng)用中一定要注意該參數(shù)給定的電壓擺幅條件。不同的電壓擺幅條件下門極電荷量是不同的。舉個例子：如果VGE 從 0V 到 +15V 條件下的門極電荷量是QGate，那么沒有辦法很準(zhǔn)確的得到VGE 從-10V 到+15V 條件下的門極電荷量。在這樣的情況下，如果沒有電荷量圖表(QGate vs. VGE)，則實測電荷量QGate 是唯一的方法。圖2 顯示的是一張典型的驅(qū)動器開通過程的波形圖。

10、驅(qū)動器輸出電流IOUT 正在對功率器件的門極進(jìn)行充電。因此，如圖2 所示，輸出電流曲線與時間軸圍成的區(qū)域就是總的充電電荷量(見圖4 所示的原理圖)。積分時間應(yīng)寬到足以涵蓋整個電壓擺幅(參照輸出：GH， GL) 。積分時間包括驅(qū)動器輸出電壓至最終電壓，或者是從驅(qū)動器開始輸出電流至輸出電流為零這段時間。圖2.用積分的方法來測量門極電荷量必須注意輸出電流是否出現(xiàn)振蕩。在實際應(yīng)用中，電荷量的測量值通常受電流振蕩影響而變得不準(zhǔn)確，其原因是過長的積分時間以及少量大數(shù)疊加而非大量小數(shù)疊加產(chǎn)生的不準(zhǔn)確性。因此，強烈建議使用驅(qū)動電流無振蕩的設(shè)置來對門極電荷量進(jìn)行測量。驅(qū)動器輸出電流振蕩或可導(dǎo)致驅(qū)動器單元產(chǎn)生額外

11、的功率損耗，這些損耗是由于鉗位效應(yīng)及輸出級和控制回路的非線性產(chǎn)生的。因此，驅(qū)動器最大可用功率通常是在輸出電流不發(fā)生振蕩的情況下得出的。諧振門極驅(qū)動可以利用高頻開關(guān)下的振蕩現(xiàn)象來獲得某種好處。但這種驅(qū)動方法不在本應(yīng)用指南討論范圍內(nèi)。4 峰值驅(qū)動電流公式驅(qū)動信號的上升沿及下降沿時刻，驅(qū)動器需要向門極電容充電及放電，需要送出峰值電流。如下圖，為IGBT導(dǎo)通過程中門極電流波形圖。門極驅(qū)動電路另一個重要的參數(shù)就是最大門極驅(qū)動電流IOUT,max。門極電流由門極驅(qū)動電壓和門極電阻決定，門極電阻由IGBT芯片或等于IGBT模塊內(nèi)置電阻,加上外置門極驅(qū)動電阻。門極驅(qū)動電流IOUT,max 必須足夠大以便在最大

12、電壓擺幅及最小門極電阻條件下提供足夠的驅(qū)動電流。其一階最大值可以簡寫成：ÎOUT(1. Order)=V/(Rinternal+Rexternal)V為驅(qū)動電壓擺幅，Rexternal為客戶所選用的門極電阻，包括發(fā)射極回路中的電阻Rinternal為IGBT門極內(nèi)阻，可從規(guī)格書查出，不同IGBT該數(shù)值不同。若門極電流存在振蕩現(xiàn)象，則建議在選擇驅(qū)動器時，其峰值電流應(yīng)滿足IOUT,max> ÎOUT(1. Order)。如果門極電流的振蕩表現(xiàn)出低阻尼特性的話就必須引起注意。此時，峰值電流電流會很大，且通常只能通過測量得到。實踐經(jīng)驗表明，在門極電流無振蕩，且驅(qū)動電阻較小的情

13、況下，電路中實際觀察到的電流峰值低于ÎOUT(1. Order)的70%。門極電流的減小是由于門極回路中的寄生電感導(dǎo)致的。這個寄生電感在門極充電開始時限制電流的斜率。因此，在門極回路電流無振蕩出現(xiàn)的情況下，對于驅(qū)動小阻值門極電阻，我們只需根據(jù)如下要求選擇驅(qū)動器，驅(qū)動器的門極電流至少需提供0.7 倍的衰減因子：在使用公式5 時，驅(qū)動器輸出端的實際峰值電流需要進(jìn)行實測以作確認(rèn)。舉例：驅(qū)動器電壓擺幅為25V(+15 / -10V)，門極電阻為0.5，IGBT 模塊門極內(nèi)阻為0.2，則驅(qū)動器提供的最大峰值電流至少應(yīng)為25A。實際應(yīng)用中的0.7 倍衰減因子的一個理論依據(jù)可以參照章節(jié)“最大驅(qū)動電

14、流”。5 輸出電壓擺幅的變化門極驅(qū)動器的輸出電壓擺幅在輸出功率范圍內(nèi)會有輕微的變化。這是因為驅(qū)動器高壓隔離DC/DC 電源的外特性有些軟所致。最邊界的計算值是通過最大電壓擺幅得出的。請在預(yù)期使用的功率范圍內(nèi)依據(jù)驅(qū)動器的數(shù)據(jù)手冊得出電壓擺幅，或者是在電路中進(jìn)行實測。嚴(yán)格來說，門極電荷量需在特定的門極電壓擺幅下進(jìn)行測量。如果門極電荷量是在較大門極電壓擺幅(在低頻下)條件下得出，那么計算得出的驅(qū)動功率會比實際驅(qū)動功率大(在目標(biāo)頻率下)。如果目標(biāo)精度低于5%，實際上沒有必要去考慮這個因素的影響。6 最大運行溫度除非另有說明，CONCEPT 驅(qū)動器在40°C 到 85°C 的溫度范圍

15、內(nèi)能輸出全功率。如果沒有關(guān)于降額說明，那么可以認(rèn)為在全溫度范圍內(nèi)都能輸出全功率和額定電流。溫度等級是參考無強迫風(fēng)冷，自然對流的環(huán)境溫度而言。即使是中級的強迫風(fēng)冷(通過風(fēng)扇形成環(huán)流)能夠強烈地改善驅(qū)動器的熱傳導(dǎo)提高驅(qū)動器的可靠性。7 最大開關(guān)頻率某些參數(shù)會影響最大可使用開關(guān)頻率。首先，前面章節(jié)所討論得出的輸出功率。第二是門極電阻上的功耗變化。門極電阻越大，在給定頻率下驅(qū)動器推動級的功耗就越小。第三是由于高開關(guān)頻率而影響驅(qū)動器的溫升。圖3 所示的是不同門極驅(qū)動電阻條件下，最大允許輸出功率與開關(guān)頻率的關(guān)系的曲線圖。該圖只適用某個具體的驅(qū)動器，并不是通用的。8 最大驅(qū)動電流實際應(yīng)用中，驅(qū)動峰

16、值電流的計算理論來源于以下問題：在沒有振蕩的情況下，門極回路中的實際峰值電流能達(dá)到多少？以下分析僅專注于門極電阻的變化而其他參數(shù)不變。假設(shè)門極回路不發(fā)生諧振也就是門極電流的波形不發(fā)生振蕩。圖4 所示為門極電路模型，由驅(qū)動器的推動級輸出端GH， GL；獨立的門極電阻Rg,on/off 以及相應(yīng)的雜散電感Lg,on/off；以及功率器件回路中存在的雜散電感Lgg 組成。功率器件可以由一個常量電容建模而成。這是一個被簡化的模型，但是在門極充電過程的起始時刻是很合理的。門極充電起始時刻是最相關(guān)的階段，因為充電電流在此刻達(dá)到最大。圖4：門極驅(qū)動回路模型門極電流i(t)由RLC 回路著名的二階差分方程決定

17、：Lg 與 Rg 分別是開通和關(guān)斷回路中L 與 R 的總和。區(qū)分振蕩與非振蕩的邊界是Lg， Cgg 以及Rg 比例。i(t)不振蕩方程需滿足以下阻尼條件：得出電流波形不振蕩的最小門極電阻計算公式為：因此，在電流不振蕩的前提下，最大峰值電流在臨界阻尼條件下可以表示為峰值門極電流Îmax(non-osc)：這里e 是歐拉常數(shù)。請注意公式9 只在非振蕩條件下計算最大電流時是正確的。當(dāng)Rg 大于Rg,min(non-osc)時，峰值驅(qū)動電流小于Îmax(nonosc)。對于大阻值的門極驅(qū)動電阻，可以按公式4 計算門極電流。但是峰值門極電流也總是小于Îmax(non-osc)。因此，根據(jù)公式9 來選擇驅(qū)動器的帶載能力(即驅(qū)動器最大輸出電流)是完全可以的。必須根據(jù)門極回路設(shè)置及功率器件來選擇合適的Rg,min(non-osc)。理論上推導(dǎo)出來的Îmax(non-osc)的衰減因子0.74 在實際應(yīng)用中會受到以下