驱动板的计算方法

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1、驱动板的计算方法驱动板的计算方法绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在今天的电力电子领域中已经得到广泛的应用，在实际使用中除 IGBT 自身外，IGBT 驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致 IGBT 和驱动器损坏。以下总结了一些关于 IGBT 驱动器输出性能的计算方法以供选型时参考。 IGBT 的开关特性主要取决于 IGBT 的门极电荷及内部和外部的电阻。图 1 是 IGBT 门极电容分布示意图，其中 CGE 是栅极-发射极电容、CCE 是集电极-发射极电容、CGC 是栅极-集电极电容或称米勒电容（M

2、iller Capacitor） 。门极输入电容 Cies 由 CGE 和 CGC 来表示，它是计算 IGBT 驱动器电路所需输出功率的关键参数。该电容几乎不受温度影响，但与 IGBT 集电极-发射极电压 VCE 的电压有密切联系。在 IGBT 数据手册中给出的电容 Cies 的值，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，在测量电路中，加在集电极上 C 的电压一般只有 25V(有些厂家为 10V)，在这种测量条件下，所测得的结电容要比 VCE=600V 时要大一些(如图 2)。由于门极的测量电压太低(VGE=0V )而不是门极的门槛电压，在实际开关中存在的米勒效应（Mi

3、ller 效应）在测量中也没有被包括在内，在实际使用中的门极电容 Cin 值要比 IGBT 数据手册中给出的电容 Cies 值大很多。因此，在 IGBT 数据手册中给出的电容Cies 值在实际应用中仅仅只能作为一个参考值使用。 确定 IGBT 的门极电荷 对于设计一个驱动器来说，最重要的参数是门极电荷 QG(门极电压差时的 IGBT 门极总电荷)，如果在 IGBT 数据手册中能够找到这个参数，那么我们就可以运用公式计算出： 图一门极驱动能量 E = QG ? UGE = QG ? VG(on) - VG(off) 门极驱动功率 PG = E ? fSW = QG ? VG(on) - VG(o

4、ff) ? fSW 驱动器总功率 P = PG + PS（驱动器的功耗） 平均输出电流 IoutAV = PG / UGE = QG ? fSW 最高开关频率 fSW max. = IoutAV(mA) / QG(C) 峰值电流 IG MAX = UGE / RG min = VG(on) - VG(off) / RG min 其中的 RG min = RG extern + RG intern fsw max. : 最高开关频率 IoutAV : 单路的平均电流 QG : 门极电压差时的 IGBT 门极总电荷 RG extern : IGBT 外部的门极电阻RG intern : IGBT

5、芯片内部的门极电阻但是实际上在很多情况下，数据手册中这个门极电荷参数没有给出，门极电压在上升过程中的充电过程也没有描述。 图 2这时候最好是按照 IEC 60747-9-2001 - Semiconductor devices - Discrete devices - Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) 所给出的测试方法测量出开通能量 E，然后再计算出 QG。 E = IG ? UGE ? dt = QG ? UGE 这种方法虽然准确但太繁琐，一般情况下我们可以简单地利用IGBT 数据手 册中所给出的输入电容 Cies 值近似地

6、估算出门极电荷： 如果 IGBT 数据表给出的 Cies 的条件为 VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的认为 Cin=4.5Cies， 门极电荷 QG UGE ? Cies ? 4.5 = VG(on) - VG(off) ? Cies ? 4.5 Cies : IGBT 的输入电容（Cies 可从 IGBT 手册中找到） 如果 IGBT 数据表给出的 Cies 的条件为 VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的认为 Cin=2.2Cies， 门极电荷 QG UGE ? Cies ? 2.2 = VG(on) -

7、VG(off) ? Cies ? 2.2 Cies : IGBT 的输入电容（Cies 可从 IGBT 手册中找到） 如果 IGBT 数据手册中已经给出了正象限的门极电荷曲线，那么只用 Cies 近似计算负象限的门极电荷会更接近实际值： 门极电荷 QG QG(on) + UGE ? Cies ? 4.5 = QG(on) + 0 - VG(off) ? Cies ? 4.5 - 适用于 Cies 的测试条件为 VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的 IGBT 门极电荷 QG QG(on) + UGE ? Cies ? 2.2 = QG(on) + 0 - VG(of

8、f) ? Cies ? 2.2 - 适用于 Cies 的测试条件为 VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的 IGBT 当为各个应用选择 IGBT 驱动器时，必须考虑下列细节： ? 驱动器必须能够提供所需的门极平均电流 IoutAV 及门极驱动功率 PG。驱动器的最大平均输出电流必须大于计算值。 ? 驱动器的输出峰值电流 IoutPEAK 必须大于等于计算得到的最大峰值电流。 ? 驱动器的最大输出门极电容量必须能够提供所需的门极电荷以对 IGBT 的门极充放电。在 POWER-SEM 驱动器的数据表中，给出了每脉冲的最大输出电荷，该值在选择驱动器时必须要考虑。 另外在

9、 IGBT 驱动器选择中还应该注意的参数包括绝缘电压Visol IO 和 dv/dt 能力。 编辑本段 IGBT 驱动电路中栅极电阻 Rg 的作用及选取方法一、栅极电阻 Rg 的作用 1、消除栅极振荡 绝缘栅器件(IGBT、MOSFET)的栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电感又是不可避免的，如果没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡，因此必须串联一个电阻加以迅速衰减。 2、转移驱动器的功率损耗 电容电感都是无功元件，如果没有栅极电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其温度上升很多。 3、调节功率开关器件的通断速度 栅极电阻小，开关器件通

10、断快，开关损耗小；反之则慢，同时开关损耗大。但驱动速度过快将使开关器件的电压和电流变化率大大提高，从而产生较大的干扰，严重的将使整个装置无法工作，因此必须统筹兼顾。 二、栅极电阻的选取 1、栅极电阻阻值的确定 各种不同的考虑下，栅极电阻的选取会有很大的差异。初试可如下选取： IGBT 额定电流(A) 50 100 200 300 600 800 1000 1500 Rg 阻值范围() 1020 5.610 3.97.5 35.6 1.63 1.32.2 12 0.81.5 不同品牌的 IGBT 模块可能有各自的特定要求，可在其参数手册的推荐值附近调试。 2、栅极电阻功率的确定 栅极电阻的功率由

11、 IGBT 栅极驱动的功率决定，一般来说栅极电阻的总功率应至少是栅极驱动功率的 2 倍。 IGBT 栅极驱动功率 PFUQ，其中： F 为工作频率； U 为驱动输出电压的峰峰值； Q 为栅极电荷，可参考 IGBT 模块参数手册。 例如，常见 IGBT 驱动器(如 TX-KA101)输出正电压 15V，负电压-9V，则 U=24V， 假设 F=10KHz，Q=2.8uC 可计算出 P=0.67w ，栅极电阻应选取 2W 电阻，或 2 个 1W 电阻并联。 三、设置栅极电阻的其他注意事项 1、尽量减小栅极回路的电感阻抗，具体的措施有： a) 驱动器靠近 IGBT 减小引线长度； b) 驱动的栅射极

12、引线绞合，并且不要用过粗的线； c) 线路板上的 2 根驱动线的距离尽量靠近； d) 栅极电阻使用无感电阻； e) 如果是有感电阻，可以用几个并联以减小电感。 2、IGBT 开通和关断选取不同的栅极电阻 通常为达到更好的驱动效果，IGBT 开通和关断可以采取不同的驱动速度，分别选取 Rgon 和 Rgoff（也称 Rg+ 和 Rg- ）往往是很必要的。 IGBT 驱动器有些是开通和关断分别输出控制，只要分别接上Rgon 和 Rgoff 就可以了。 有些驱动器只有一个输出端，这就要在原来的 Rg 上再并联一个电阻和二极管的串联网络，用以调节 2 个方向的驱动速度。 3、在 IGBT 的栅射极间接上 Rge10100K 电阻，防止在未接驱动引线的情况下，偶然加主电高压，通过米勒电容烧毁 IGBT。所以用户最好再在 IGBT 的栅射极或 MOSFET 栅源间加装 Rge。