IGBT驅動參數的計算方法

1、應用指南 IGBT-D Page 1IGBT 以及MOSFET 的驅動參數的計算方法簡介本應用指南介紹了在特定應用條件下門極驅動性能參數的計算方法。通過本應用手冊得出的一些參數值可以作為選擇一款合適驅動器的基本依據。CONCEPT 產品的數據手冊中所給出的參數在實際應用中是可以直接使用的。驅動器內部功率損耗以及其他內部參數不必進一步降額或者修正。對于快速預覽，公式1，4及5是最重要的。所需驅動功率驅動器是用來控制功率器件的導通和關斷。為了實現此功能，驅動器對功率器件的門極進行充電以達到門極開通電壓V GE_on，或者是對門極進行放電至門極關斷電壓V GE_off。門極電壓的兩種電平間的轉換過程

2、中，在驅動器門極驅動電阻及功率器件組成的回路中產生一定的損耗。這個參數我們稱為驅動功率P DRV 。驅動器必須根據其所驅動的功率器件所需的驅動功率來選擇。驅動功率可以從門極電荷量Q Gate ，開關頻率f IN ，以及驅動器實際輸出電壓擺幅V Gate 計算得出：Gate IN Gate DRV V f Q P = (Eq. 1如果門極回路放置了一個電容C GE (輔助門極電容 ，那么驅動器也需要對該電容進行充放電，如圖1所示：圖1. 帶外接阻容的門級驅動只要C GE 在一個周期內被完全的充放電，那么R GE 值并不影響所需驅動功率。驅動功率可以從以下公式得出： 2Gate IN GE Gat

3、e IN Gate DRV V f C V f Q P += (Eq. 2以上公式是在門極驅動電流不發(fā)生諧振的條件下得出的。只要這個開關過程是IGBT 門極從完全打開到完全關斷或者反過來，則驅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Q Gate 。ACAN-1001 應用指南Page 2 INTELLIGENT POWER ELECTRONICSIN GH (output highI OUT GL (output lowintegration timegate charge: 11.4uC 門極電荷量Q Gate 絕不能從IGBT 或MOSFET 的輸入電

4、容C ies 計算得出。C ies 僅僅是門極電荷量曲線在原點(VGE =0V時的一階近似值。功率半導體的門極電荷量曲線是極其非線性的。這就是為什么Q Gate 必須通過對門極電荷量曲線在V GE_off 到V GE_on的區(qū)域內積分獲得。如果Q Gate 在數據手冊中已給出，在實際應用中一定要注意該參數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V GE 從 0V 到 +15V條件下的門極電荷量是Q Gate ，那么沒有辦法很準確的得到V GE 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

5、量Q Gate 是唯一的方法。圖2顯示的是一張典型的驅動器開通過程的波形圖。驅動器輸出電流I OUT 正在對功率器件的門極進行充電。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 。積分時間包括驅動器輸出電壓至最終電壓，或者是從驅動器開始輸出電流至輸出電流為零這段時間。=dt I Q OUT Gate(Eq. 3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振蕩。在實際應用中，電荷量的測量值通常受電流振蕩影響而變得不準確，其原因是過長的積分時間以及少量大數疊加而非大量小數疊加產

6、生的不準確性。因此，強烈建議使用驅動電流無振蕩的設置來對門極電荷量進行測量。驅動器輸出電流振蕩或可導致驅動器單元產生額外的功率損耗，這些損耗是由于鉗位效應及輸出級和控制回路的非線性產生的。因此，驅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。諧振門極驅動可以利用高頻開關下的振蕩現象來獲得某種好處。但這種驅動方法不在本應用指南討論范圍內。應用指南IGBT-D Page 3峰值驅動電流公式門極驅動電路另一個重要的參數就是最大門極驅動電流I OUT,max 。門極驅動電流I OUT,max 必須足夠大以便在最大電壓擺幅及最小門極電阻條件下提供足夠的驅動電流。其一階最大值可以簡寫成： Mi

7、n Gate Gate Order OUT R V I _ . 1(= (Eq. 4若門極電流存在振蕩現象，則建議在選擇驅動器時，其峰值電流應滿足I OUT,max OUT(1. Order。如果門極電流的振蕩表現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。實踐經驗表明，在門極電流無振蕩，且驅動電阻較小的情況下，電路中實際觀察到的電流峰值低于OUT(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的情況下，對于驅動小阻值門極電阻，我們只需根據如下要求選擇驅動

8、器，驅動器的門極電流至少需提供0.7倍的衰減因子：. 1(max , 7. 0Order OUT OUT I I (Eq. 5在使用公式5時，驅動器輸出端的實際峰值電流需要進行實測以作確認。舉例：驅動器電壓擺幅為25V(+15 / -10V，門極電阻為0.5，IGBT 模塊門極內阻為0.2，則驅動器提供的最大峰值電流至少應為25A 。實際應用中的0.7倍衰減因子的一個理論依據可以參照章節(jié)“最大驅動電流”。輸出電壓擺幅的變化門極驅動器的輸出電壓擺幅在輸出功率范圍內會有輕微的變化。這是因為驅動器高壓隔離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。請在預期使用的功率范圍

9、內依據驅動器的數據手冊得出電壓擺幅，或者是在電路中進行實測。嚴格來說，門極電荷量需在特定的門極電壓擺幅下進行測量。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，那么計算得出的驅動功率會比實際驅動功率大(在目標頻率下 。如果目標精度低于5%，實際上沒有必要去考慮這個因素的影響。最大運行溫度除非另有說明，CONCEPT 驅動器在40C 到 85C的溫度范圍內能輸出全功率。如果沒有關于降額說明，那么可以認為在全溫度范圍內都能輸出全功率和額定電流。溫度等級是參考無強迫風冷，自然對流的環(huán)境溫度而言。即使是中級的強迫風冷(通過風扇形成環(huán)流 能夠強烈地改善驅動器的熱傳導提高驅動器的可靠性。最大開關

10、頻率某些參數會影響最大可使用開關頻率。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，在給定頻率下驅動器推動級的功耗就越小。第三是由于高開關頻率而影響驅動器的溫升。圖3所示的是不同門極驅動電阻條件下，最大允許輸出功率與開關頻率的關系的曲線圖。該圖只適用某個具體的驅動器，并不是通用的。AN-1001 應用指南 Page 4 INTELLIGENT POWER ELECTRONICS圖3. 最大允許輸出功率與開關頻率的關系最大驅動電流實際應用中，驅動峰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到多少？以下分析僅專注于門極電阻的變化

11、而其他參數不變。假設門極回路不發(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，由驅動器的推動級輸出端GH ， GL；獨立的門極電阻R g,on/off以及相應的雜散電感L g,on/off；以及功率器件回路中存在的雜散電感L gg 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的階段，因為充電電流在此刻達到最大。圖4：門極驅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：0 ( ( (22=+gg g g C t i dt t di R dt t i d L (Eq. 6L g 與

12、R g 分別是開通和關斷回路中L 與 R 的總和。區(qū)分振蕩與非振蕩的邊界是L g ， C gg 以及R g 比例。i(t不振蕩方程需滿足以下阻尼條件：CCV ggC應用指南 IGBT-D Page 5 gg gosc non g C L R 2 ( (Eq. 7得出電流波形不振蕩的最小門極電阻計算公式為：gg gosc non g C L R 2 min(, = (Eq. 8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max(non-osc：min(, min(, max(74. 02osc non g Gate osc non g Gate osc non

13、R V R V e I = (Eq. 9這里e 是歐拉常數。 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R g 大于R g,min(non-osc時，峰值驅動電流小于max(non-osc 。對于大阻值的門極驅動電阻，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max(non-osc。因此，根據公式9來選擇驅動器的帶載能力(即驅動器最大輸出電流 是完全可以的。必須根據門極回路設置及功率器件來選擇合適的R g,min(non-osc。理論上推導出來的max(non-osc的衰減因子0.74在實際應用中會受到以下限制進一步減小，如：驅動器的開關速度，門極回路傳輸線的屬性以及驅動

14、器支撐電容的內部時間常量。因此，實際應用中推薦衰減因子值0.70和理論得出的值0.74的效果是一致的。舉例：如果門極輸出電壓擺幅V Gate =25V，門極回路的電感量為20 nH，并假設IGBT 的輸入電容量是30 nF，那么：=63. 130202 min(, nFnH R osc non g 如果門極電阻阻值小于1.63，門極電流就會開始震蕩。假設這門極驅動上并不存在這個振蕩。那么R g =1.63時最大非振蕩門極電流為：A V R V I osc non g Gateosc non 4. 1163. 12574. 074. 0 min(, max(=法律聲明本應用指南指定的設備并不能應用到所有特定的特性。對于運輸，性能以及適用性并不能做出任何保證。CT-Concept Technologie AG保留在任何不事先通知的情況下對技術參數及產品規(guī)范做出修改的權利。AN-1001 應用指南 生產商 CT-Concept Technologie AG Intelligent Power Electronics Renferstrasse 15 CH-2504 Biel-Bienne Switzerland Tel. Fax eMail Internet +41 - 32 - 344 47 47 +41 - 32 - 3