驅(qū)動板的計(jì)算方法

1、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT在今天的電力電子領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，在實(shí)際使用中除IGBT自身外，IGBT 驅(qū)動器的作用對整個換流系統(tǒng)來說同樣至關(guān)重要。驅(qū)動器的選擇及輸出功率的計(jì)算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導(dǎo)致 IGBT 和驅(qū)動器損壞。以下總結(jié)了一些關(guān)于IGBT驅(qū)動器輸出性能的計(jì)算方法以供選型時參考。 IGBT 的開關(guān)特性主要取決于IGBT的門極電荷及內(nèi)部和外部的電阻。圖1是IGBT 門極電容分布示意圖，其中CGE 是柵極-發(fā)射極電容、CCE 是集電極-發(fā)射極電容、CGC 是柵極-集電極電容或稱米勒電容（Miller Capacitor）。門極輸入電容Cies

2、 由CGE 和CGC 來表示，它是計(jì)算IGBT 驅(qū)動器電路所需輸出功率的關(guān)鍵參數(shù)。該電容幾乎不受溫度影響，但與IGBT集電極-發(fā)射極電壓VCE 的電壓有密切聯(lián)系。在IGBT數(shù)據(jù)手冊中給出的電容Cies 的值，在實(shí)際電路應(yīng)用中不是一個特別有用的參數(shù)，因?yàn)樗峭ㄟ^電橋測得的，在測量電路中，加在集電極上C 的電壓一般只有25V(有些廠家為10V，在這種測量條件下，所測得的結(jié)電容要比VCE=600V 時要大一些(如圖2。由于門極的測量電壓太低(VGE=0V 而不是門極的門檻電壓，在實(shí)際開關(guān)中存在的米勒效應(yīng)（Miller 效應(yīng)）在測量中也沒有被包括在內(nèi)，在實(shí)際使用中的門極電容Cin值要比IGBT 數(shù)據(jù)手

3、冊中給出的電容Cies 值大很多。因此，在IGBT數(shù)據(jù)手冊中給出的電容Cies值在實(shí)際應(yīng)用中僅僅只能作為一個參考值使用。 確定IGBT 的門極電荷 對于設(shè)計(jì)一個驅(qū)動器來說，最重要的參數(shù)是門極電荷QG(門極電壓差時的IGBT 門極總電荷，如果在IGBT 數(shù)據(jù)手冊中能夠找到這個參數(shù)，那么我們就可以運(yùn)用公式計(jì)算出： 圖一 門極驅(qū)動能量 E = QG ? UGE = QG ? VG(on - VG(off 門極驅(qū)動功率 PG = E ? fSW = QG ? VG(on - VG(off ? fSW 驅(qū)動器總功率 P = PG + PS（驅(qū)動器的功耗） 平均輸出電流 IoutAV = PG / UGE

4、 = QG ? fSW 最高開關(guān)頻率 fSW max. = IoutAV(mA / QG(C 峰值電流 IG MAX = UGE / RG min = VG(on - VG(off / RG min 其中的 RG min = RG extern + RG intern fsw max. : 最高開關(guān)頻率IoutAV : 單路的平均電流QG : 門極電壓差時的 IGBT門極總電荷RG extern : IGBT 外部的門極電阻RG intern : IGBT 芯片內(nèi)部的門極電阻但是實(shí)際上在很多情況下，數(shù)據(jù)手冊中這個門極電荷參數(shù)沒有給出，門極電壓在上升過程中的充電過程也沒有描述。 圖2 這時候最好

5、是按照 IEC 60747-9-2001 - Semiconductor devices - Discrete devices - Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs 所給出的測試方法測量出開通能量E，然后再計(jì)算出QG。 E = IG ? UGE ? dt = QG ? UGE 這種方法雖然準(zhǔn)確但太繁瑣，一般情況下我們可以簡單地利用IGBT數(shù)據(jù)手 冊中所給出的輸入電容Cies值近似地估算出門極電荷： 如果IGBT數(shù)據(jù)表給出的Cies的條件為VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的認(rèn)為Cin=4

6、.5Cies， 門極電荷 QG UGE ? Cies ? 4.5 = VG(on - VG(off ? Cies ? 4.5 Cies : IGBT的輸入電容（Cies 可從IGBT 手冊中找到） 如果IGBT數(shù)據(jù)表給出的Cies的條件為VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的認(rèn)為Cin=2.2Cies， 門極電荷 QG UGE ? Cies ? 2.2 = VG(on - VG(off ? Cies ? 2.2 Cies : IGBT的輸入電容（Cies 可從IGBT 手冊中找到） 如果IGBT數(shù)據(jù)手冊中已經(jīng)給出了正象限的門極電荷曲線，那么只用Cies

7、近似計(jì)算負(fù)象限的門極電荷會更接近實(shí)際值： 門極電荷 QG QG(on + UGE ? Cies ? 4.5 = QG(on + 0 - VG(off ? Cies ? 4.5 - 適用于Cies 的測試條件為 VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT 門極電荷 QG QG(on + UGE ? Cies ? 2.2 = QG(on + 0 - VG(off ? Cies ? 2.2 - 適用于Cies 的測試條件為 VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT 當(dāng)為各個應(yīng)用選擇IGBT驅(qū)動器時，必須考慮下列細(xì)節(jié)： ? 驅(qū)動器必須能

8、夠提供所需的門極平均電流IoutAV 及門極驅(qū)動功率PG。驅(qū)動器的最大平均輸出電流必須大于計(jì)算值。 ? 驅(qū)動器的輸出峰值電流IoutPEAK 必須大于等于計(jì)算得到的最大峰值電流。 ? 驅(qū)動器的最大輸出門極電容量必須能夠提供所需的門極電荷以對IGBT 的門極充放電。在POWER-SEM 驅(qū)動器的數(shù)據(jù)表中，給出了每脈沖的最大輸出電荷，該值在選擇驅(qū)動器時必須要考慮。 另外在IGBT驅(qū)動器選擇中還應(yīng)該注意的參數(shù)包括絕緣電壓Visol IO 和dv/dt 能力。 編輯本段IGBT驅(qū)動電路中柵極電阻Rg的作用及選取方法 一、柵極電阻Rg的作用 1、消除柵極振蕩 絕緣柵器件(IGBT、MOSFET的柵射（或

9、柵源）極之間是容性結(jié)構(gòu)，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅(qū)動器驅(qū)動脈沖的激勵下要產(chǎn)生很強(qiáng)的振蕩，因此必須串聯(lián)一個電阻加以迅速衰減。 2、轉(zhuǎn)移驅(qū)動器的功率損耗 電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅(qū)動功率就將絕大部分消耗在驅(qū)動器內(nèi)部的輸出管上，使其溫度上升很多。 3、調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的通斷速度 柵極電阻小，開關(guān)器件通斷快，開關(guān)損耗小；反之則慢，同時開關(guān)損耗大。但驅(qū)動速度過快將使開關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產(chǎn)生較大的干擾，嚴(yán)重的將使整個裝置無法工作，因此必須統(tǒng)籌兼顧。 二、柵極電阻 的選取 1、柵極電阻阻值的確定 各種不同的考慮下，柵極電阻的選取會有

10、很大的差異。初試可如下選取： IGBT額定電流(A 50 100 200 300 600 800 1000 1500 Rg阻值范圍( 1020 5.610 3.97.5 35.6 1.63 1.32.2 12 0.81.5 不同品牌的IGBT模塊可能有各自的特定要求，可在其參數(shù)手冊的推薦值附近調(diào)試。 2、柵極電阻功率的確定 柵極電阻的功率由IGBT柵極驅(qū)動的功率決定，一般來說柵極電阻的總功率應(yīng)至少是柵極驅(qū)動功率的2倍。 IGBT柵極驅(qū)動功率 PFUQ，其中： F 為工作頻率； U 為驅(qū)動輸出電壓的峰峰值； Q 為柵極電荷，可參考IGBT模塊參數(shù)手冊。 例如，常見IGBT驅(qū)動器(如TX-KA10

11、1輸出正電壓15V，負(fù)電壓-9V，則U=24V， 假設(shè) F=10KHz，Q=2.8uC 可計(jì)算出 P=0.67w ，柵極電阻應(yīng)選取2W電阻，或2個1W電阻并聯(lián)。 三、設(shè)置柵極電阻的其他注意事項(xiàng) 1、盡量減小柵極回路的電感阻抗，具體的措施有： a 驅(qū)動器靠近IGBT減小引線長度； b 驅(qū)動的柵射極引線絞合，并且不要用過粗的線； c 線路板上的 2 根驅(qū)動線的距離盡量靠近； d 柵極電阻使用無感電阻； e 如果是有感電阻，可以用幾個并聯(lián)以減小電感。 2、IGBT 開通和關(guān)斷選取不同的柵極電阻 通常為達(dá)到更好的驅(qū)動效果，IGBT開通和關(guān)斷可以采取不同的驅(qū)動速度，分別選取 Rgon和Rgoff（也稱 Rg+ 和 Rg- ）往往是很必要的。 IGBT驅(qū)動器有些是開通和關(guān)斷分別輸出