IGBT驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)計(jì)算詳解

./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門極驅(qū)動(dòng)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(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(duì)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(dòng)器門極驅(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)功率來選擇。驅(qū)動(dòng)功率可以從門極電荷量QGate,開關(guān)頻率fIN,以及驅(qū)動(dòng)器實(shí)際輸出電壓擺幅ΔVGate計(jì)算得出：

PDRV=QGate*fIN*ΔVGate<Eq.1>

備注：PDRV:驅(qū)動(dòng)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)格書第一頁查出,不同IGBT該數(shù)值不同；ΔVGate:門極驅(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。如果門極回路放置了一個(gè)電容CGE<輔助門極電容>,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：

PDRV=QGATE*fIN*ΔVGATE+CGE*fIN*ΔVGATE2<Eq.2>這個(gè)功率是每個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)時(shí)必須的,但門極的充放電是沒有能量損失的,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)板說明書中被標(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。總功率損耗通常是由一個(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0.4WIHD580FX每個(gè)通道0.8WIGD608/615AX整個(gè)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(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,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)損耗也可通過測(cè)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(dòng)板在靜態(tài)時(shí)的消耗電流〔沒有輸入脈沖時(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。以上公式是在門極驅(qū)動(dòng)電流不發(fā)生諧振的條件下得出的。只要這個(gè)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(dòng)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(jì)算得出。Cies僅僅是門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^電橋測(cè)得的,由于測(cè)量電壓太小而不能到達(dá)門極門檻電壓,在實(shí)際開關(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"C"上,在這種測(cè)量構(gòu)架下,所測(cè)結(jié)電容要比Vce＝0V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),令許多開發(fā)人員走入歧途。對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(cè)中這個(gè)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必須通過對(duì)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(duì)而言能夠簡(jiǎn)單地通過測(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(jì)算。門極電荷可以利用公式計(jì)算：Q＝∫idt＝CΔU確定了Q,我們可以用示波器觀測(cè)門極電壓,同時(shí)電壓的上升ΔU在測(cè)量中也能在示波器上清楚的觀測(cè)到?！惨娤聢D2利用公式CIN＝Q/ΔU。實(shí)際的輸入電容能夠通過計(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。Ciss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)過驗(yàn)證是較為準(zhǔn)確可信的。CIN＝5Ciss〔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<QGatevs.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)器開通過程的波形圖。驅(qū)動(dòng)器輸出電流IOUT正在對(duì)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(shí)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(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.用積分的方法來測(cè)量門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)電流無振蕩的設(shè)置來對(duì)門極電荷量進(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。諧振門極驅(qū)動(dòng)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(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(dòng)電路另一個(gè)重要的參數(shù)就是最大門極驅(qū)動(dòng)電流IOUT,max。門極電流由門極驅(qū)動(dòng)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(dòng)電阻。門極驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流。其一階最大值可以簡(jiǎn)寫成：

?OUT<1.Order>=△V/<Rinternal+Rexternal>ΔV為驅(qū)動(dòng)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(dòng)器時(shí),其峰值電流應(yīng)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(shí),峰值電流電流會(huì)很大,且通常只能通過測(cè)量得到。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,在門極電流無振蕩,且驅(qū)動(dòng)電阻較小的情況下,電路中實(shí)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(dǎo)致的。這個(gè)寄生電感在門極充電開始時(shí)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(duì)于驅(qū)動(dòng)小阻值門極電阻,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>,門極電阻為0.5Ω,IGBT模塊門極內(nèi)阻為0.2Ω,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)電流"。5輸出電壓擺幅的變化門極驅(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)格來說,門極電荷量需在特定的門極電壓擺幅下進(jìn)行測(cè)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(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)行溫度除非另有說明,CONCEPT驅(qū)動(dòng)器在–40°C到85°C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(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最大開關(guān)頻率某些參數(shù)會(huì)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(dòng)器推動(dòng)級(jí)的功耗就越小。第三是由于高開關(guān)頻率而影響驅(qū)動(dòng)器的溫升。圖3所示的是不同門極驅(qū)動(dòng)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(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)峰值電流的計(jì)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(shí)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(dòng)器的推動(dòng)級(jí)輸出端GH,GL；獨(dú)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(gè)常量電容建模而成。這是一個(gè)被簡(jiǎn)化的模型,但是在門極充電過程的起始時(shí)刻是很合理的。門極充電起始時(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：門極驅(qū)動(dòng)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>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(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極電流?max<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?max<nonosc>。對(duì)于大阻值的門極驅(qū)動(dòng)電阻,可以按公式4計(jì)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(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?max<non-osc>的衰減因子0.74在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到以下限制進(jìn)一步減