IGBT以及MOSFET的驅動參數的計算方法

IGBT以及MOSFET的驅動參數的計算方法

簡介

本應用指南介紹了在特定應用條件下門極驅動性能參數的計算方法。通過本應用手冊得出的一些參數值可以作為選擇一款合適驅動器的基本依據。

對於快速預覽，公式1，4 及5 是最重要的。

所需驅動功率

驅動器是用來控制功率器件的導通和關斷。為了實現此功能，驅動器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斷電壓VGE_off。

門極電壓的兩種電平間的轉換過程中，在驅動器門極驅動電阻及功率器件組成的迴路中產生一定的損耗。這個參數我們稱為驅動功率PDRV。驅動器必須根據其所驅動的功率器件所需的驅動功率來選擇。

驅動功率可以從門極電荷量QGate，開關頻率fIN，以及驅動器實際輸出電壓擺幅∆VGate 計算得出：

如果門極迴路放置了一個電容CGE(輔助門極電容)，那麼驅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動

只要CGE在一個周期內被完全的充放電，那麼RGE 值並不影響所需驅動功率。驅動功率可以從以下公式得出：

以上公式是在門極驅動電流不發生諧振的條件下得出的。只要這個開關過程是IGBT 門極從完全打開到完全關斷或者反過來，則驅動功率並不依賴於門極電阻及佔空比的變化而變化。接下來我們來看如何確定門極電荷量QGate。

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。功率半導體的門極電荷量曲線是極其非線性的。這就是為什麼QGate必須通過對門極電荷量曲線在VGE_off 到VGE_on的區域內積分獲得。

如果QGate 在數據手冊中已給出，在實際應用中一定要注意該參數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，那麼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動器開通過程的波形圖。驅動器輸出電流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)。積分時間應寬到足以涵蓋整個電壓擺幅(參照輸出：GH，GL) 。積分時間包括驅動器輸出電壓至最終電壓，或者是從驅動器開始輸出電流至輸出電流為零這段時間。

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疊加而非大量小數疊加產生的不準確性。因此，強烈建議使用驅動電流無振蕩的設置來對門極電荷量進行測量。

驅動器輸出電流振蕩或可導致驅動器單元產生額外的功率損耗，這些損耗是由於鉗位效應及輸出級和控制迴路的非線性產生的。因此，驅動器最大可用功率通常是在輸出電流不發生振蕩的情況下得出的。

諧振門極驅動可以利用高頻開關下的振蕩現象來獲得某種好處。但這種驅動方法不在本應用指南討論範圍內。

峰值驅動電流公式

門極驅動電路另一個重要的參數就是最大門極驅動電流IOUT,max。門極驅動電流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動電流。其一階最大值可以簡寫成：

若門極電流存在振蕩現象，則建議在選擇驅動器時，其峰值電流應滿足IOUT,max> ÎOUT(1. Order)。如果門極電流的振蕩表現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。

實踐經驗表明，在門極電流無振蕩，且驅動電阻較小的情況下，電路中實際觀察到的電流峰值低於ÎOUT(1. Order)的70%。門極電流的減小是由於門極迴路中的寄生電感導致的。這個寄生電感在門極充電開始時限制電流的斜率。因此，在門極迴路電流無振蕩出現的情況下，對於驅動小阻值門極電阻，我們只需根據如下要求選擇驅動器，驅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：驅動器電壓擺幅為25V(+15 / -10V)，門極電阻為0.5Ω，IGBT模塊門極內阻為0.2Ω，則驅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可以參照章節「最大驅動電流」。

輸出電壓擺幅的變化

門極驅動器的輸出電壓擺幅在輸出功率範圍內會有輕微的變化。這是因為驅動器高壓隔離DC/DC 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範圍內依據驅動器的數據手冊得出電壓擺幅，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，那麼計算得出的驅動功率會比實際驅動功率大(在目標頻率下)。如果目標精度低於5%，實際上沒有必要去考慮這個因素的影響。歡迎註冊論壇（www.21micro-grid.com）,加入技術交流QQ群：電力電子技術與新能源 905723370，關注微信公眾號：電力電子技術與新能源（Micro_Grid）

最大運行溫度

除非另有說明，CONCEPT驅動器在–40°C 到85°C的溫度範圍內能輸出全功率。如果沒有關於降額說明，那麼可以認為在全溫度範圍內都能輸出全功率和額定電流。

溫度等級是參考無強迫風冷，自然對流的環境溫度而言。即使是中級的強迫風冷(通過風扇形成環流)能夠強烈地改善驅動器的熱傳導—提高驅動器的可靠性。

最大開關頻率

某些參數會影響最大可使用開關頻率。首先，前面章節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，在給定頻率下驅動器推動級的功耗就越小。第三是由於高開關頻率而影響驅動器的溫升。

圖3 所示的是不同門極驅動電阻條件下，最大允許輸出功率與開關頻率的關係的曲線圖。該圖只適用某個具體的驅動器，並不是通用的。

圖3.最大允許輸出功率與開關頻率的關係

最大驅動電流

實際應用中，驅動峰值電流的計算理論來源於以下問題：

在沒有振蕩的情況下，門極迴路中的實際峰值電流能達到多少？

以下分析僅專注於門極電阻的變化而其他參數不變。假設門極迴路不發生諧振也就是門極電流的波形不發生振蕩。圖4所示為門極電路模型，由驅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；以及功率器件迴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的階段，因為充電電流在此刻達到最大。

圖4：門極驅動迴路模型

門極電流i(t)由RLC 迴路著名的二階差分方程決定：

Lg 與Rg分別是開通和關斷迴路中L 與R 的總和。區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Îmax(non-osc)：

這裡e 是歐拉常數。

請注意公式9隻在非振蕩條件下計算最大電流時是正確的。當Rg 大於Rg,min(non-osc)時，峰值驅動電流小於Îmax(non- osc)。對於大阻值的門極驅動電阻，可以按公式4計算門極電流。但是峰值門極電流也總是小於Îmax(non-osc)。因此，根據公式9來選擇驅動器的帶載能力(即驅動器最大輸出電流)是完全可以的。必須根據門極迴路設置及功率器件來選擇合適的 Rg,min(non-osc)。歡迎註冊論壇（www.21micro-grid.com）,加入技術交流QQ群：電力電子技術與新能源 905723370，關注微信公眾號：電力電子技術與新能源（Micro_Grid）

理論上推導出來的Îmax(non-osc)的衰減因子0.74在實際應用中會受到以下限制進一步減小，如：驅動器的開關速度，門極迴路傳輸線的屬性以及驅動器支撐電容的內部時間常量。因此，實際應用中推薦衰減因子值0.70 和理論的

出的值0.74 的效果是一致的。

舉例：

如果門極輸出電壓擺幅∆VGate=25V，門極迴路的電感量為20nH，並假設IGBT 的輸入電容量是30 nF，那麼：

如果門極電阻阻值小於1.63Ω，門極電流就會開始震蕩。假設這門極驅動上並不存在這個振蕩。那麼Rg=1.63Ω

時最大非振蕩門極電流為：

對於更大阻值的門極電阻，衰減因子由0.74上升至1.0，相應的門極電流將減小且總小於Îmax(non-osc)。

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