IGBT驱动器驱动能力计算

IGBT驱动器驱动能力的计算王映波,李海金,陈诗君(武汉新瑞科电气技术有限公司，湖北，武汉430072)摘要：大功率IGBT在使用中驱动器至关重要，本文给出了不同功率等级IGBT驱动器的设计计算方法，经验公式及有关CONCEPT驱动板的选型标准。关键字：IGBT；驱动器；门极电荷IGBTDriversCorrectlyCalculatedWangYingboLiHaijinChenShijun(WuhanNewrockElectricTechnologyco.,ltd,Wuhan,Hubei430072,China)Abstract：ThedriversofhighpowerrateIGBTisimportantinpowerelectronics.ThispaperintroduceswhatyoumustknowwhendimensioninganIGBTdriver,andchoicesaboutconceptdriver.Keywords:IGBT;driver;thegatecharge0引言我们在选择和设计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。下面给出了不同功率等级的驱动电路选择和设计的正确计算的步骤。1确定IGBT门极电荷以及门极电容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。无论如何，门极的充电过程相对而言能够简单地通过测量得到。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：Q＝∫idt＝CΔU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ΔU在测量中也能在示波器上清楚的观测到。（见图1）利用公式CIN＝Q/ΔU。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。2Ciss在折算中的经验公式在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Vce＝0V时要小一些。因此，Ciss仅仅只能在IGBT互相作比较时使用。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可信的。CIN＝5Ciss（Ciss可从IGBT手册中得到）3驱动功率的计算在输入结电容中存贮的能量可通过如下计算：W＝21CINΔU2这里，ΔU是门极上上升的整个电压。比如，在±15V驱动电压下，ΔU是30V。在每个工作周期，门极被充电二次。一个IGBT所需的驱动功率计算如下：P＝f·CIN·ΔU2如门极电荷先前已通过测量得到，则P＝f·Q·ΔU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。4门极驱动电流的计算驱动器的最大输出电流必须大于等于实际所需的门极驱动电流。计算公式如下：IGmax=(min)GRUΔU是整个门极上升电压，例如±15V驱动，ΔU＝30V。而RG(min)则是电路中选择的最小驱动电阻。5驱动板的选择选择一个功率等级的驱动板，必须注意一下几点：1）驱动板必须提供所需的功率；2）最大的输出电流必须大于等于实际所需的IGBT门极电流。驱动板输入电流不能超过手册中所标注的最大电流，至少不能重复出超，特别在高门极电容（并联电路）情形和较低工作频率下，这一点尤其需要校核。对间隙性的脉冲同样如此。在这两种情况下，尽管平均电流（通过电流表测得）低于手册中的规定值，但输入电流的实际最大值仍有可能超过DC/DC变换器的额定功率，为了作这种校核，我们可以在驱动板的输入电源与输入电容之间加分流器或探针，用示波器进行观察测试。注意：由于内部有DC/DC变换器，驱动板的输入电流纹波，可以通过在副边加低电感电容和选择低ESR方式就近驱动IGBT以减少引线长度来降低。6计算实例对于一个200A的IGBT模块，选择EUPEC公司的BSM200GB120DN2，工作频率在8KHZ.第一个参数门极电荷测量波形如图一所示：Q及ΔU值通过示波器可测得：Q＝2150nAsΔU=30V门极电容CIN＝UQ=VAs302150=71.6nF所需的驱动功率：P＝f*Q*ΔU=8*2150*30=0.516W接下来，加上0.4W的内部功耗0.516W+0.4W=0.916W8K频率下驱动器的内部开关损耗可以忽略不计。当门极电压低于±14V而不是±15V时，同样依据以上计算。这样在设计中留有一定的余量也是十分有益的。。如RG=4.7Ω,那么IGmax=GRU＝7.430＝6.4A在这种情况下，我们最终选择了IHD280半桥电路驱动板，其典型参数是：内部DC/DC变换器功率为2W,每个通道1W，最大的驱动能力是8A.。7结语依据以上所述的分析计算方法，我们可以设计和选择一个能满足我们实际需要的IGBT驱动器。