IGBT驅(qū)動參數(shù)計算詳解

1、IGBT驅(qū)動參數(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)動板的選型標準，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 IGBT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通和關(guān)斷。為了實現(xiàn)此功能，驅(qū)動器

2、對功率器件的門極進行充電以達到門極開通電壓VGE_on，或者是對門極進行放電至門極關(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。轉(zhuǎn)載請注明出處 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)動器每通道輸出功率；fIN: IGBT開關(guān)頻率；QGate :IGBT門極電荷，可從規(guī)格書查出，不同I

3、GBT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 (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

4、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)動板說明書中被標明了，對于半橋電路驅(qū)動器，由于總變換器功率被標明了，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 IHD580FX 每個通道0.8W IGD608/615AX 整個板0.5W IGD508/515EX（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

5、應被計算在內(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（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QG

6、ate。 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門極門檻電壓，在實際開關(guān)中增加的內(nèi)部回饋效應（Miller 效應）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“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

7、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 值與在應用中的實際的輸入結(jié)電容值相差甚遠。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

8、用的驅(qū)動器。除此之外，在設(shè)計中至少我們知道在應用中所需的門極電 壓（例如15V）。 首先，在負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。 Ciss 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)過驗證是較為準確可信的。 CIN5Ciss （Ciss 可從IGBT 手冊中

9、得到） 如果QGate 在數(shù)據(jù)手冊中已給出，在實際應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。驅(qū)動器輸出電流IOUT 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

10、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。轉(zhuǎn)載請注明出 處 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(shù)疊加而非大量小數(shù)疊加產(chǎn)生的不準確性。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行測量。 驅(qū)動器輸出電流振蕩或可導致驅(qū)動器單元產(chǎn)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(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

11、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： ?OUT(1. Order)=V/(Rinternal+

12、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，其峰值電流應滿足IOUT,max> ?OUT(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。轉(zhuǎn)載請注明出 處 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

13、。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行實測以作確認。 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為25A。 實際應用中的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

14、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(qū)動功率會比實際驅(qū)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。 6 最大運行溫度 除非另有說明，CONCEPT 驅(qū)動器在40C 到 85C 的溫度范圍內(nèi)能輸出全功率。如果沒有關(guān)于降額說明，那么可以認為在全溫度范圍內(nèi)都能輸出全功率和額定電流。 溫度等級是參考無強迫風冷，自然對流的環(huán)境溫度

15、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(qū)動器的熱傳導提高驅(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 實際應用中，驅(qū)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而其他參數(shù)不

16、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： 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)

17、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?max(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Rg 大于Rg,min(non-osc)時，峰值驅(qū)動電流小于?max(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?max(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