IGBT驱动电路参数计算详解

IGBT驱动电路参数计算详解
大功率IGBT 模块在利用中驱动器相当重要，本文介绍在特定应用条件下IGBT门极驱动性能参数的计算方式，体会公式及有关CONCEPT 驱动板的选型标准，得出的一些参数值能够作为选择一款适合IGBT驱动器的大体依据。

1 门极驱动的概念
IGBT存在门极-发射极电容Cge，门极-集电极电容Cgc，咱们将IGBT的门极等效电容概念为Cg，门极驱动回路的等效电路如以下图所示：
其本质是：一个脉冲电压源向RC电路进行充放电，关于那个电压源，有2个物理量咱们需要关切，1.它的功率；2.它的峰值电流。

2 驱动功率的计算
驱动器是用来操纵功率器件的导通和关断。

为了实现此功能，驱动器对功率器件的门极进行充电以达到门极开通电压VGE_on，或是对门极进行放电至门极关断电压VGE_off。

门极电压的两种电平间的转换进程中，在驱动器门极驱动电阻及功率器件组成的回路中产生必然的损耗。

那个参数咱们称为驱动功率PDRV。

驱动器必需依照其所驱动的功率器件所需的驱动功率来选择。

驱动功率能够从门极电荷量QGate，开关频率fIN，和驱动器实际输出电压摆幅ΔVGate 计算得出：P DRV = Q Gate * f IN * ΔV Gate (Eq. 1)
备注：P DRV: 驱动器每通道输出功率；f IN: IGBT开关频率；Q Gate
:IGBT门极电荷，可从规格书第一页查出，不同IGBT该数值不同；ΔV Gate:门极驱动
电压摆幅，等于驱动正压+U 和负压–U 之间差值。

若是门极回路放置了一个电容CGE (辅助门极电容)，那么驱动器也需要对该电容进行充放电，如图1 所示：
图1.带外接阻容的门级驱动
只要CGE 在一个周期内被完全的充放电，那么RGE 值并非阻碍所需驱动功率。

驱动
功率能够从以下公式得出：
P DRV = Q GATE * f IN *ΔV GATE + C GE * f IN*ΔV GATE2(Eq. 2)
那个功率是每一个IGBT 驱动时必需的，但门极的充放电是没有能量损失的，那个功
率事实上损失在驱动电阻及外部电路中。

注意：那个功率是表示在电路中实际需要的，而在驱动电路中的其它损耗（包括供电
电源损耗）不包括在内。

驱动器中DC/DC 变换器的总输出功率在concept 公司智能驱动板说明书中被标明了，关于半桥电路驱动器，由于总变换器功率被标明了，因此总输出功率的一半即是每一个通
道的功率。

另外，还有一部份功率损失在驱动电路元件中。

总功率损耗一般是由一个静态的、固定的损耗加上最终驱动损耗组成。

Concept 驱动板静态损耗描述如下：
IHD215/280/680 每一个通道
IHD580FX 每一个通道
IGD608/615AX 整个板
IGD508/515EX（无光藕元件）
在IGD508/515 中，光藕的发送及接收所损失的功率应被计算在内。

光藕接收器所用的5V 电源是由外部16V 供电电源线性变换得来，这部份的损耗应该用＋16V 乘以电流计算，而不是用＋5V 计算。

每一个通道的静态损耗也可通过测量取得，具体如下：
断开输入侧的电压供给（DC/DC 变换器的逆流），16V 的电压直接加在Cs ， COM 脚两头（等效副边电容）。

驱动板在静态时的消耗电流（没有输入脉冲时）同有脉冲工作时一样，能够直接从电路中的电流表读出。

以上公式是在门极驱动电流不发生谐振的条件下得出的。

只要那个开关进程是IGBT
门极从完全打开到完全关断或反过来，那么驱动功率并非依托于门极电阻及占空比的转变
而转变。

接下来咱们来看如何确信门极电荷量QGate。

3 门极电荷量
QGate 绝不能从IGBT 或MOSFET 的输入电容Cies 计算得出。

Cies 仅仅是门极电荷量曲线在原点(VGE=0V)时的一阶近似值。

在IGBT 手册中的电容值Ciss，在实际电路应用中不是一个专门有效的参数，因为它是通过电桥测得的，由于测量电压过小而不能抵达门
极门坎电压，在实际开关中增加的内部回馈效应（Miller 效应）在测量中未被包括在内。

在测量电路中，一个25V 的电压加在集电极“C”上，在这种测量构架下，所测结电容要
比Vce＝0V 时要小一些。

因此，Ciss 仅仅只能在IGBT 相互作比较时利用。

咱们在选择和设计IGBT 驱动器时常常会碰着一些问题和不确信因素。

部份缘故是厂家对IGBT 描述的
不够充分；另一方面是由于IGBT 手册中所给的输入结电容Ciss 值与在应用中的实际的输入结电容值相差甚远。

依据手册中的Ciss 值作设计，令许多开发人员走入邪路。

关于设计一个驱动器来讲，最重要的参数是门极电荷，在很多情形下，IGBT 数据手册中那个参数没有给出，另外，门极电压在上升进程中的充电进程也未被描述。

功率半导体
的门极电荷量曲线是极为非线性的。

这确实是什么缘故QGate 必需通过对门极电荷量曲
线在VGE_off 到VGE_on 的区域内积分取得。

不管如何，门极的充电进程相对而言能够简单地通过测量取得。

因此要驱动一个IGBT，咱们最好利用一个专用的驱动器。

除此之外，在设计中至少咱们明白在应用中所需的门极
电
压（例如±15V）。

第一，在负载端没有输出电压的情形下，咱们能够作如下计算。

门极电荷能够利用公
式计算：
Q＝∫idt＝CΔU
确信了Q, 咱们能够用示波器观测门极电压，同时电压的上升ΔU 在测量中也能在示波器上清楚的观测到。

（见以下图2）
利用公式CIN＝Q/ΔU。

实际的输入电容能够通过计算取得。

尤其要注意的是，在应用中，实际的输入结电容CIN 在设计中是具有专门大意义的。

Ciss 在折算中的体会公式
关于SIEMENS 和EUPEC 的IGBT 而言，下面的体会公式通过验证是较为准确可信的。

CIN＝5Ciss （Ciss 可从IGBT 手册中取得）
若是QGate 在数据手册中已给出，在实际应用中必然要注意该参数给定的电压摆幅条件。

不同的电压摆幅条件下门极电荷量是不同的。

举个例子：若是VGE 从 0V 到 +15V 条件下的门极电荷量是QGate，那么没有方法很准确的取得VGE 从-10V 到+15V 条件下的门极电荷量。

在如此的情形下，若是没有电荷量图表(QGate vs. VGE)，那么实测电荷量QGate 是唯一的方式。

图2 显示的是一张典型的驱动器开通进程的波形图。

驱动器输出电流IOUT 正在对功率器件的门极进行充电。

因此，如图2 所示，输出电流曲线与时刻轴围成的区域确实是总的充电电荷量(见图4 所示的原理图)。

积分时刻应宽到足以涵盖整个电压摆幅(参照输出：GH， GL) 。

积分时刻包括驱动器输出电压至最终电压，或是从驱动器开始输出电流至输出电流为零这段时刻。

图2.用积分的方式来测量门极电荷量
必需注意输出电流是不是显现振荡。

在实际应用中，电荷量的测量值通常受电流振荡阻碍而变得不准确，其缘故是太长的积分时刻和少量大数叠加而非大量小数叠加产生的不准确性。

因此，强烈建议利用驱动电流无振荡的设置来对门极电荷量进行测量。

驱动器输出电流振荡或可致使驱动器单元产生额外的功率损耗，这些损耗是由于钳位效应及输出级和操纵回路的非线性产生的。

因此，驱动器最大可用功率一般是在输出电流不发生振荡的情形下得出的。

谐振门极驱动能够利用高频开关下的振荡现象来取得某种益处。

但这种驱动方式不在本应用指南讨论范围内。

4 峰值驱动电流公式
驱动信号的上升沿及下降沿时刻，驱动器需要向门极电容充电及放电，需要送出峰值电流。

如以下图，为IGBT导通进程中门极电流波形图。

门极驱动电路另一个重要的参数确实是最大门极驱动电流IOUT,max。

门极电流由门极驱动电压和门极电阻决定，门极电阻由IGBT芯片或等于IGBT模块内置电阻,加上外置门极驱动电阻。

门极驱动电流IOUT,max 必需足够大以便在最大电压摆幅及最小门极电阻条件下提供足够的驱动电流。

其一阶最大值能够简写成：
ÎOUT(1. Order)=△V/(Rinternal+Rexternal)
ΔV为驱动电压摆幅，
Rexternal为客户所选用的门极电阻，包括发射极回路中的电阻
Rinternal为IGBT门极内阻，可从规格书查出，不同IGBT该数值不同。

假设门极电流存在振荡现象，那么建议在选择驱动器时，其峰值电流应知足IOUT,max> ÎOUT(1. Order)。

若是门极电流的振荡表现出低阻尼特性的话就必需引发注意。

现在，峰值电流电流会专门大，且通常只能通过测量取得。

实践体会说明，在门极电流无振荡，且驱动电阻较小的情形下，电路中实际观看到的电流峰值低于ÎOUT(1. Order)的70%。

门极电流的减小是由于门极回路中的寄生电感致使的。

那个寄生电感在门极充电开始时限制电流的斜率。

因此，在门极回路电流无振荡显现的情形下，关于驱动小阻值门极电阻，咱们只需依照如下要求选择驱动器，驱动器的门极电流至少需提供倍的衰减因子：
在利用公式5 时，驱动器输出端的实际峰值电流需要进行实测以作确认。

举例：驱动器电压摆幅为25V(+15 / -10V)，门极电阻为Ω，IGBT 模块门极内阻为Ω，那么驱动器提供的最大峰值电流至少应为25A。

实际应用中的倍衰减因子的一个理论依据能够参照章节“最大驱动电流”。

5 输出电压摆幅的转变
门极驱动器的输出电压摆幅在输出功率范围内会有轻微的转变。

这是因为驱动器高压
隔离DC/DC 电源的外特性有些软所致。

最边界的计算值是通过最大电压摆幅得出的。

请
在预期利用的功率范围内依据驱动器的数据手册得出电压摆幅，或是在电路中进行实测。

严格来讲，门极电荷量需在特定的门极电压摆幅下进行测量。

若是门极电荷量是在较
大门极电压摆幅(在低频下)条件下得出，那么计算得出的驱动功率会比实际驱动功率大(在
目标频率下)。

若是目标精度低于5%，事实上没有必要去考虑那个因素的阻碍。

6 最大运行温度
除非还有说明，CONCEPT 驱动器在–40°C 到 85°C 的温度范围内能输出全功率。

若
是没有关于降额说明，那么能够以为在全温度范围内都能输出全功率和额定电流。

温度品级是参考无强迫风冷，自然对流的环境温度而言。

即便是中级的强迫风冷(通过风扇形成环流)能够强烈地改善驱动器的热传导—提高驱动器的靠得住性。

7 最大开关频率
某些参数会阻碍最大可利用开关频率。

第一，前面章节所讨论得出的输出功率。

第二
是门极电阻上的功耗转变。

门极电阻越大，在给定频率下驱动器推动级的功耗就越小。

第
三是由于高开关频率而阻碍驱动器的温升。

图3 所示的是不同门极驱动电阻条件下，最大许诺输出功率与开关频率的关系的曲线图。

该图只适用某个具体的驱动器，并非是通用的。

8 最大驱动电流
实际应用中，驱动峰值电流的计算理论来源于以下问题：
在没有振荡的情形下，门极回路中的实际峰值电流能达到多少？
以下分析仅专注于门极电阻的转变而其他参数不变。

假设门极回路不发生谐振也确实
是门极电流的波形不发生振荡。

图4 所示为门极电路模型，由驱动器的推动级输出端GH，GL；独立的门极电阻Rg,on/off 和相应的杂散电感Lg,on/off；和功率器件回路中存在的
杂散电感Lgg
组成。

功率器件能够由一个常量电容建模而成。

这是一个被简化的模型，可是在门极充电进程的起始时刻是很合理的。

门极充电起始时刻是最相关的时期，因为充电电流在此刻达到最大。

图4：门极驱动回路模型
门极电流i(t)由RLC 回路闻名的二阶差分方程决定：
Lg 与 Rg 别离是开通和关断回路中L 与 R 的总和。

区分振荡与非振荡的边界是Lg，Cgg 和Rg 比例。

i(t)不振荡方程需知足以下阻尼条件：
得出电流波形不振荡的最小门极电阻计算公式为：
因此，在电流不振荡的前提下，最大峰值电流在临界阻尼条件下能够表示为峰值门极电流Îmax(non-osc)：
那个地址e 是欧拉常数。

请注意公式9 只在非振荡条件下计算最大电流时是正确的。

当Rg 大于Rg,min(non-osc)时，峰值驱动电流小于Îmax(nonosc)。

关于大阻值的门极驱动电阻，能够按公式4 计算门极电流。

可是峰值门极电流也老是小于Îmax(non-osc)。

因此，依照公式9 来选择驱动器的带载能力(即驱动器最大输出电流)是完全能够的。

必需依照门极回路设置及功率器件来选择适合的Rg,min(non-osc)。

理论上推导出来的Îmax(non-osc)的衰减因子在实际应用中会受到以下限制进一步减小，如：驱动器的开关速度，门极回路传输线的属性和驱动器支撑电容的内部时刻常量。

因此，实际应用中推荐衰减因子值和理论得出的值的成效是一致的。

举例：
若是门极输出电压摆幅ΔVGate=25V，门极回路的电感量为20 nH，并假设IGBT 的输入电容量是30 nF，那么：
若是门极电阻阻值小于Ω，门极电流就会开始震荡。

假设这门极驱动上并非存在那个振荡。

那么Rg=Ω时最大非振荡门极电流为：
关于更大阻值的门极电阻，衰减因子由上升至，相应的门极电流将减小且总小于
Îmax(non-osc)。