1、IGBT 驱动电路参数计算详解大功率 IGBT 模块在使用中驱动器至关重要，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法，经验公式及有关 CONCEPT 驱动板的选型标准，得出的一些参数值可以作为选择一款合适 IGBT 驱动器的基本依据。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，我们将 IGBT 的门极等效电容定义为 Cg，门极驱动回路的等效电路如下图所示：其本质是：一个脉冲电压源向 RC 电路进行充放电，对于这个电压源，有 2 个物理量我们需要关心，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控制功率器件的导通和
2、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，或者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过程中，在驱动器门极驱动电阻及功率器件组成的回路中产生一定的损耗。这个参数我们称为驱动功率 PDRV。驱动器必须根据其所驱动的功率器件所需的驱动功率来选择。驱动功率可以从门极电荷量 QGate，开关频率 fIN，以及驱动器实际输出电压摆幅VGate 计算得出：PDRV = QGate * fIN * VGate (Eq. 1)备注： PDRV: 驱动器每通道输出功率； fIN: IGBT 开关频率； QGate :IGBT 门极电荷，
3、可从规格书第一页查出，不同 IGBT 该数值不同； VGate:门极驱动电压摆幅，等于驱动正压+U 和负压 U 之间差值。如果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 值并不影响所需驱动功率。驱动功率可以从以下公式得出：P DRV = QGATE * fIN *VGATE + CGE * fIN*VGATE2 (Eq. 2)这个功率是每个 IGBT 驱动时必须的，但门极的充放电是没有能量损失的，这个功率实际上损失在驱动电阻及外部电路中。注意：这个功率是
4、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）不包含在内。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，对于半桥电路驱动器，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个通道的功率。另外，还有一部分功率损失在驱动电路元件中。总功率损耗通常是由一个静态的、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 每个通道 0.4WIHD580FX 每个通道 0.8WIGD608/615AX 整个板 0.5WIGD508/515EX（无光藕元件） 0.5W在 IGD508/515
5、 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，这部分的损耗应该用16V 乘以电流计算，而不是用5V 计算。每个通道的静态损耗也可通过测量得到，具体如下：断开输入侧的电压供应（DC/DC 变换器的逆流），16V 的电压直接加在 Cs ， COM 脚两端（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。只要这个开关过程是 IGBT 门极从完全打开到完全关断或者反过来，则驱动功率并不依赖于门极电阻及占空比的变化而变化。接下
6、来我们来看如何确定门极电荷量 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特别有用的参数，因为它是通过电桥测得的，由于测量电压太小而不能到达门极门槛电压，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Vce0V 时要小一些。因此，Ciss 仅仅只能在 IGBT 互相作比较时使用。我们在
7、选择和设计 IGBT 驱动器时经常会碰到一些问题和不确定因素。部分原因是厂家对 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歧途。对于设计一个驱动器来讲，最重要的参数是门极电荷，在很多情况下，IGBT 数据手册中这个参数没有给出，另外，门极电压在上升过程中的充电过程也未被描述。功率半导体的门极电荷量曲线是极其非线性的。这就是为什么 QGate 必须通过对门极电荷量曲线在VGE_off 到 VGE_on 的区域内积分获得。无论如何，门极的充电过程相对而言能够简单
8、地通过测量得到。因而要驱动一个IGBT，我们最好使用一个专用的驱动器。除此之外，在设计中至少我们知道在应用中所需的门极电压（例如15V）。首先，在负载端没有输出电压的情况下，我们可以作如下计算。门极电荷可以利用公式计算：QidtCU确定了 Q, 我们可以用示波器观测门极电压，同时电压的上升 U 在测量中也能在示波器上清楚的观测到。（见下图 2）利用公式 CINQ/U 。实际的输入电容能够通过计算得到。尤其要注意的是，在应用中，实际的输入结电容 CIN 在设计中是具有很大意义的。Ciss 在折算中的经验公式对于 SIEMENS 和 EUPEC 的 IGBT 而言，下面的经验公式经过验证是较为准确
9、可信的。CIN5Ciss （Ciss 可从 IGBT 手册中得到）如果 QGate 在数据手册中已给出，在实际应用中一定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：如果 VGE 从 0V 到 +15V 条件下的门极电荷量是 QGate，那么没有办法很准确的得到 VGE 从-10V 到+15V 条件下的门极电荷量。在这样的情况下，如果没有电荷量图表(QGate vs. VGE)，则实测电荷量 QGate 是唯一的方法。图 2 显示的是一张典型的驱动器开通过程的波形图。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
10、时间轴围成的区域就是总的充电电荷量(见图 4 所示的原理图)。积分时间应宽到足以涵盖整个电压摆幅(参照输出：GH ， GL) 。积分时间包括驱动器输出电压至最终电压，或者是从驱动器开始输出电流至输出电流为零这段时间。图 2.用积分的方法来测量门极电荷量必须注意输出电流是否出现振荡。在实际应用中，电荷量的测量值通常受电流振荡影响而变得不准确，其原因是过长的积分时间以及少量大数叠加而非大量小数叠加产生的不准确性。因此，强烈建议使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导致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控制回路的非线性产生的。因此，驱动器最
11、大可用功率通常是在输出电流不发生振荡的情况下得出的。谐振门极驱动可以利用高频开关下的振荡现象来获得某种好处。但这种驱动方法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。如下图，为 IGBT 导通过程中门极电流波形图。门极驱动电路另一个重要的参数就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 必须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。其一阶最大值可以简
12、写成：OUT(1. Order)=V/(Rinternal+Rexternal)V 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。若门极电流存在振荡现象，则建议在选择驱动器时，其峰值电流应满足 IOUT,max OUT(1. Order)。如果门极电流的振荡表现出低阻尼特性的话就必须引起注意。此时，峰值电流电流会很大，且通常只能通过测量得到。实践经验表明，在门极电流无振荡，且驱动电阻较小的情况下，电路中实际观察到的电流峰值低于 OUT(1. Order)的 70%。门极电
13、流的减小是由于门极回路中的寄生电感导致的。这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出现的情况下，对于驱动小阻值门极电阻，我们只需根据如下要求选择驱动器，驱动器的门极电流至少需提供 0.7 倍的衰减因子：在使用公式 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 0.5，IGBT 模块门极内阻为 0.2，则驱动器提供的最大峰值电流至少应为 25A。实际应用中的 0.7 倍衰减因子的一个理论依据可以参照章节“最大驱动电流”。5 输出电压摆幅的变化门极驱动器的输出电压摆幅在输出功率范围内会有轻微
14、的变化。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。请在预期使用的功率范围内依据驱动器的数据手册得出电压摆幅，或者是在电路中进行实测。严格来说，门极电荷量需在特定的门极电压摆幅下进行测量。如果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)。如果目标精度低于 5%，实际上没有必要去考虑这个因素的影响。6 最大运行温度除非另有说明，CONCEPT 驱动器在 40C 到 85C 的温度范围内能输出全功率。如果没有关于降额说明，那么可以认为在全温度范围内都能输出全功率和额定电流。
15、温度等级是参考无强迫风冷，自然对流的环境温度而言。即使是中级的强迫风冷(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可靠性。7 最大开关频率某些参数会影响最大可使用开关频率。首先，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变化。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影响驱动器的温升。图 3 所示的是不同门极驱动电阻条件下，最大允许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，并不是通用的。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：在没有振荡的情况下，门极回路中的实际峰值电流能达到多少？以下分析
16、仅专注于门极电阻的变化而其他参数不变。假设门极回路不发生谐振也就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 以及相应的杂散电感 Lg,on/off；以及功率器件回路中存在的杂散电感 Lgg 组成。功率器件可以由一个常量电容建模而成。这是一个被简化的模型，但是在门极充电过程的起始时刻是很合理的。门极充电起始时刻是最相关的阶段，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 回路著名的二阶差分方程决定：Lg 与 Rg 分别是开通和关断回路中 L 与 R 的总和。区分振荡与非振荡的
17、边界是 Lg， Cgg 以及 Rg 比例。 i(t)不振荡方程需满足以下阻尼条件：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可以表示为峰值门极电流 max(non-osc)：这里 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 max(nonosc)。对于大阻值的门极驱动电阻，可以按公式 4 计算门极电流。但是峰值门极电流也总是小于 max(non-osc)。因此，根据公式 9 来选择驱动器的带载能力(即驱动器最大输出电流)是完全可以的。必须根据
18、门极回路设置及功率器件来选择合适的 Rg,min(non-osc)。理论上推导出来的 max(non-osc)的衰减因子 0.74 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以及驱动器支撑电容的内部时间常量。因此，实际应用中推荐衰减因子值 0.70 和理论得出的值 0.74 的效果是一致的。举例：如果门极输出电压摆幅 VGate=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：如果门极电阻阻值小于 1.63，门极电流就会开始震荡。假设这门极驱动上并不存在这个振荡。那么 Rg=1.63 时最大非振荡门极电流为：对于更大阻值的门极电阻，衰减因子由 0.74 上升至 1.0，相应的门极电流将减小且总小于 max(non-osc)。
