IGBT驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)計(jì)算詳解

1、IGBT驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)計(jì)算詳解大功率IGBT 模塊在使用中驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要，本文介紹在特定應(yīng)用條件下IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)性能參數(shù)的計(jì)算方法，經(jīng)驗(yàn)公式及有關(guān)CONCEPT 驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的基本依據(jù)。1 門(mén)極驅(qū)動(dòng)的概念I(lǐng)GBT存在門(mén)極-發(fā)射極電容Cge，門(mén)極-集電極電容Cgc，我們將IGBT的門(mén)極等效電容定義為Cg，門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路的等效電路如下圖所示：其本質(zhì)是：一個(gè)脈沖電壓源向RC電路進(jìn)行充放電，對(duì)于這個(gè)電壓源，有2個(gè)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(dòng)功率的計(jì)算驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)控制功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。為了實(shí)現(xiàn)此功能，驅(qū)動(dòng)器對(duì)功率器

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

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

4、  (Eq. 2)這個(gè)功率是每個(gè)IGBT 驅(qū)動(dòng)時(shí)必須的，但門(mén)極的充放電是沒(méi)有能量損失的，這個(gè)功率實(shí)際上損失在驅(qū)動(dòng)電阻及外部電路中。注意：這個(gè)功率是表示在電路中實(shí)際需要的，而在驅(qū)動(dòng)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(dòng)器中DC/DC 變換器的總輸出功率在concept 公司智能驅(qū)動(dòng)板說(shuō)明書(shū)中被標(biāo)明了，對(duì)于半橋電路驅(qū)動(dòng)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(gè)通道的功率。另外，還有一部分功率損失在驅(qū)動(dòng)電路元件中?？偣β蕮p耗通常是由一個(gè)靜態(tài)的、固定的損耗加上最終驅(qū)動(dòng)損耗組成。Concept 驅(qū)動(dòng)板靜態(tài)損耗描述如下：IHD215/280/680 每個(gè)通道0.4W

5、IHD580FX 每個(gè)通道0.8WIGD608/615AX 整個(gè)板0.5WIGD508/515EX（無(wú)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(jì)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(lái)，這部分的損耗應(yīng)該用16V 乘以電流計(jì)算，而不是用5V 計(jì)算。每個(gè)通道的靜態(tài)損耗也可通過(guò)測(cè)量得到，具體如下：斷開(kāi)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(dòng)板在靜態(tài)時(shí)的消耗電流（沒(méi)有輸入脈沖時(shí)）同有脈沖工作時(shí)一樣，能夠直接從電路中的電流表讀出。以上公式是在門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流不發(fā)生諧

6、振的條件下得出的。只要這個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程是IGBT 門(mén)極從完全打開(kāi)到完全關(guān)斷或者反過(guò)來(lái)，則驅(qū)動(dòng)功率并不依賴于門(mén)極電阻及占空比的變化而變化。接下來(lái)我們來(lái)看如何確定門(mén)極電荷量QGate。3 門(mén)極電荷量QGate 絕不能從IGBT 或MOSFET 的輸入電容Cies 計(jì)算得出。Cies 僅僅是門(mén)極電荷量曲線在原點(diǎn)(VGE=0V)時(shí)的一階近似值。在IGBT 手冊(cè)中的電容值Ciss，在實(shí)際電路應(yīng)用中不是一個(gè)特別有用的參數(shù)，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)電橋測(cè)得的，由于測(cè)量電壓太小而不能到達(dá)門(mén)極門(mén)檻電壓，在實(shí)際開(kāi)關(guān)中增加的內(nèi)部回饋效應(yīng)（Miller 效應(yīng)）在測(cè)量中未被包括在內(nèi)。在測(cè)量電路中，一個(gè)25V 的電壓加在集電極

7、“C”上，在這種測(cè)量構(gòu)架下，所測(cè)結(jié)電容要比Vce0V 時(shí)要小一些。因此，Ciss 僅僅只能在IGBT 互相作比較時(shí)使用。我們?cè)谶x擇和設(shè)計(jì)IGBT 驅(qū)動(dòng)器時(shí)經(jīng)常會(huì)碰到一些問(wèn)題和不確定因素。部分原因是廠家對(duì)IGBT 描述的不夠充分；另一方面是由于IGBT 手冊(cè)中所給的輸入結(jié)電容Ciss 值與在應(yīng)用中的實(shí)際的輸入結(jié)電容值相差甚遠(yuǎn)。依據(jù)手冊(cè)中的Ciss 值作設(shè)計(jì)，令許多開(kāi)發(fā)人員走入歧途。對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)講，最重要的參數(shù)是門(mén)極電荷，在很多情況下，IGBT 數(shù)據(jù)手冊(cè)中這個(gè)參數(shù)沒(méi)有給出，另外，門(mén)極電壓在上升過(guò)程中的充電過(guò)程也未被描述。功率半導(dǎo)體的門(mén)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(guò)對(duì)門(mén)極電荷量曲線在VGE_off 到VGE_on 的區(qū)域內(nèi)積分獲得。無(wú)論如何，門(mén)極的充電過(guò)程相對(duì)而言能夠簡(jiǎn)單地通過(guò)測(cè)量得到。因而要驅(qū)動(dòng)一個(gè)IGBT，我們最好使用一個(gè)專用的驅(qū)動(dòng)器。除此之外，在設(shè)計(jì)中至少我們知道在應(yīng)用中所需的門(mén)極電壓（例如±15V）。首先，在負(fù)載端沒(méi)有輸出電壓的情況下，我們可以作如下計(jì)算。門(mén)極電荷可以利用公式計(jì)算：QidtCU確定了Q, 我們可以用示波器觀測(cè)門(mén)極電壓，同時(shí)電壓的上升U 在測(cè)量中也能在示波器上清楚的觀測(cè)到。（見(jiàn)下圖2）利用公式CINQ/U。實(shí)際的輸入電容能夠通過(guò)計(jì)算得到。尤其要注意的是，在應(yīng)用中，實(shí)際的輸入結(jié)電容CIN 在設(shè)計(jì)中是具有很大意義的。Cis

9、s 在折算中的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于SIEMENS 和EUPEC 的IGBT 而言，下面的經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是較為準(zhǔn)確可信的。CIN5Ciss （Ciss 可從IGBT 手冊(cè)中得到）如果QGate 在數(shù)據(jù)手冊(cè)中已給出，在實(shí)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(mén)極電荷量是不同的。舉個(gè)例子：如果VGE 從 0V 到 +15V 條件下的門(mén)極電荷量是QGate，那么沒(méi)有辦法很準(zhǔn)確的得到VGE 從-10V 到+15V 條件下的門(mén)極電荷量。在這樣的情況下，如果沒(méi)有電荷量圖表(QGate vs. VGE)，則實(shí)測(cè)電荷量QGate 是唯一的方法。圖2 顯示的是一張典型的驅(qū)動(dòng)器開(kāi)通過(guò)程的波形圖。

10、驅(qū)動(dòng)器輸出電流IOUT 正在對(duì)功率器件的門(mén)極進(jìn)行充電。因此，如圖2 所示，輸出電流曲線與時(shí)間軸圍成的區(qū)域就是總的充電電荷量(見(jiàn)圖4 所示的原理圖)。積分時(shí)間應(yīng)寬到足以涵蓋整個(gè)電壓擺幅(參照輸出：GH， GL) 。積分時(shí)間包括驅(qū)動(dòng)器輸出電壓至最終電壓，或者是從驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始輸出電流至輸出電流為零這段時(shí)間。圖2.用積分的方法來(lái)測(cè)量門(mén)極電荷量必須注意輸出電流是否出現(xiàn)振蕩。在實(shí)際應(yīng)用中，電荷量的測(cè)量值通常受電流振蕩影響而變得不準(zhǔn)確，其原因是過(guò)長(zhǎng)的積分時(shí)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(qiáng)烈建議使用驅(qū)動(dòng)電流無(wú)振蕩的設(shè)置來(lái)對(duì)門(mén)極電荷量進(jìn)行測(cè)量。驅(qū)動(dòng)器輸出電流振蕩或可導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)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(jí)和控制回路的非線性產(chǎn)生的。因此，驅(qū)動(dòng)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(mén)極驅(qū)動(dòng)可以利用高頻開(kāi)關(guān)下的振蕩現(xiàn)象來(lái)獲得某種好處。但這種驅(qū)動(dòng)方法不在本應(yīng)用指南討論范圍內(nèi)。4 峰值驅(qū)動(dòng)電流公式驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿及下降沿時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)器需要向門(mén)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(guò)程中門(mén)極電流波形圖。門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路另一個(gè)重要的參數(shù)就是最大門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流IOUT,max。門(mén)極電流由門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓和門(mén)極電阻決定，門(mén)極電阻由IGBT芯片或等于IGBT模塊內(nèi)置電阻,加上外置門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻。門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流IOUT,max 必須足夠大以便在最大

12、電壓擺幅及最小門(mén)極電阻條件下提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。其一階最大值可以簡(jiǎn)寫(xiě)成：ÎOUT(1. Order)=V/(Rinternal+Rexternal)V為驅(qū)動(dòng)電壓擺幅，Rexternal為客戶所選用的門(mén)極電阻，包括發(fā)射極回路中的電阻Rinternal為IGBT門(mén)極內(nèi)阻，可從規(guī)格書(shū)查出，不同IGBT該數(shù)值不同。若門(mén)極電流存在振蕩現(xiàn)象，則建議在選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)，其峰值電流應(yīng)滿足IOUT,max> ÎOUT(1. Order)。如果門(mén)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(shí)，峰值電流電流會(huì)很大，且通常只能通過(guò)測(cè)量得到。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在門(mén)極電流無(wú)振蕩，且驅(qū)動(dòng)電阻較小的情

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

14、流”。5 輸出電壓擺幅的變化門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓擺幅在輸出功率范圍內(nèi)會(huì)有輕微的變化。這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)器高壓隔離DC/DC 電源的外特性有些軟所致。最邊界的計(jì)算值是通過(guò)最大電壓擺幅得出的。請(qǐng)?jiān)陬A(yù)期使用的功率范圍內(nèi)依據(jù)驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)手冊(cè)得出電壓擺幅，或者是在電路中進(jìn)行實(shí)測(cè)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，門(mén)極電荷量需在特定的門(mén)極電壓擺幅下進(jìn)行測(cè)量。如果門(mén)極電荷量是在較大門(mén)極電壓擺幅(在低頻下)條件下得出，那么計(jì)算得出的驅(qū)動(dòng)功率會(huì)比實(shí)際驅(qū)動(dòng)功率大(在目標(biāo)頻率下)。如果目標(biāo)精度低于5%，實(shí)際上沒(méi)有必要去考慮這個(gè)因素的影響。6 最大運(yùn)行溫度除非另有說(shuō)明，CONCEPT 驅(qū)動(dòng)器在40°C 到 85°C 的溫度范圍

15、內(nèi)能輸出全功率。如果沒(méi)有關(guān)于降額說(shuō)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(jí)是參考無(wú)強(qiáng)迫風(fēng)冷，自然對(duì)流的環(huán)境溫度而言。即使是中級(jí)的強(qiáng)迫風(fēng)冷(通過(guò)風(fēng)扇形成環(huán)流)能夠強(qiáng)烈地改善驅(qū)動(dòng)器的熱傳導(dǎo)提高驅(qū)動(dòng)器的可靠性。7 最大開(kāi)關(guān)頻率某些參數(shù)會(huì)影響最大可使用開(kāi)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(mén)極電阻上的功耗變化。門(mén)極電阻越大，在給定頻率下驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)級(jí)的功耗就越小。第三是由于高開(kāi)關(guān)頻率而影響驅(qū)動(dòng)器的溫升。圖3 所示的是不同門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻條件下，最大允許輸出功率與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系的曲線圖。該圖只適用某個(gè)具體的驅(qū)動(dòng)器，并不是通用的。8 最大驅(qū)動(dòng)電流實(shí)際應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)峰

16、值電流的計(jì)算理論來(lái)源于以下問(wèn)題：在沒(méi)有振蕩的情況下，門(mén)極回路中的實(shí)際峰值電流能達(dá)到多少？以下分析僅專注于門(mén)極電阻的變化而其他參數(shù)不變。假設(shè)門(mén)極回路不發(fā)生諧振也就是門(mén)極電流的波形不發(fā)生振蕩。圖4 所示為門(mén)極電路模型，由驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)級(jí)輸出端GH， GL；獨(dú)立的門(mén)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(gè)常量電容建模而成。這是一個(gè)被簡(jiǎn)化的模型，但是在門(mén)極充電過(guò)程的起始時(shí)刻是很合理的。門(mén)極充電起始時(shí)刻是最相關(guān)的階段，因?yàn)槌潆婋娏髟诖丝踢_(dá)到最大。圖4：門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路模型門(mén)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(kāi)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(mén)極電阻計(jì)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(mén)極電流Îmax(non-osc)：這里e 是歐拉常數(shù)。請(qǐng)注意公式9 只在非振蕩條件下計(jì)算最大電流時(shí)是正確的。當(dāng)Rg 大于Rg,min(non-osc)時(shí)，峰值驅(qū)動(dòng)電流小于Îmax(nonosc)。對(duì)于大阻值的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻，可以按公式4 計(jì)算門(mén)極電流。但是峰值門(mén)極電流也總是小于Îmax(non-osc)。因此，根據(jù)公式9 來(lái)選擇驅(qū)動(dòng)器的帶載能力(即驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流)是完全可以的。必須根據(jù)門(mén)極回路設(shè)置及功率器件來(lái)選擇合適的Rg,min(non-osc)。理論上推導(dǎo)出來(lái)的Îmax(non-osc)的衰減因子0.74 在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到以下