设计应用

基于电流反馈的IGBT有源栅极驱动方法研究

    摘  要: IGBT开关过程中di/dt与du/dt的大小决定着电流过冲、电压过冲和通断损耗的大小。为使IGBT稳定高效工作,提出一种基于di/dt和du/dt反馈的栅极驱动方法,在IGBT开通时,与di/dt成正比的可控电流反馈到栅极;同样,在IGBT关断时,与du/dt成正比的可控电流反馈到栅极。通过调节反馈到栅极的电流值,实现对di/dt与du/dt的控制,从而抑制尖峰电流和过压损坏的产生。仿真及实验结果验证了理论分析的正确性与可行性。

    关键词: di/dt;du/dt;电流过冲;过压损坏

    中图分类号: TN432

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173192


    中文引用格式: 杜祥,陈权,王群京,等. 基于电流反馈的IGBT有源栅极驱动方法研究[J].电子技术应用,2018,44(4):33-36.

    英文引用格式: Du Xiang,Chen Quan,Wang Qunjing,et al. Study of IGBT active gate drive method based on current feedback[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(4):33-36.

0 引言

    随着IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)制造工艺及集成工艺技术的日益成熟,其良好的开关特性被广泛运用在新能源开发及智能电网等领域。在IGBT日益高频化的运用中,开通与关断瞬间产生的电流过冲与电压过冲,严重影响着IGBT的可靠运行[1]。因此,控制IGBT开通时di/dt与关断时du/dt的大小成为研究的一个热点。

    近年来,对于IGBT开通与关断过程中的电流与电压过冲的抑制已有一定的研究基础。文献[2]提出了一种驱动脉冲边缘调制技术,这种方法加重了DSP工作负担,不适用于高频化运用。文献[3]采用传统的增大栅极电阻及钳位电路方法抑制过高的di/dt和du/dt,这种方法引入了不容忽视的栅极电阻损耗。文献[4]给出了一种有源电流源IGBT门极闭环控制,这种调控方法的影响因子过多,不利于IGBT的稳定通断。本文提出了一种基于di/dt和du/dt反馈的IGBT栅极驱动方法,设置两个可调的参数α和参数β,调节反馈到栅极的电流实现对IGBT在开通时与关断时相对应的di/dt和di/dt的控制,实现对电流与电压过冲的抑制。提高系统的运行可靠性,延长器件使用寿命。

1 IGBT的开关电路分析

    为了模拟IGBT开关行为的相关特性,有效的方法是采用双脉冲测试平台进行仿真和实验。半桥测试等效电路如图1所示,由于上管的IGBT处于常关断状态,因此可由一个快速恢复的二极管代替。

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    为了保护IGBT,常采用带有反并联二极管的IGBT作为实验对象,IGBT在开通时,由于上管的二极管续流作用,该电流与发射极电流进行叠加,出现尖峰电流Icp,其值如式(1)所示。

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其中,i(off)为IGBT关断时各个时间段的电流,v(off)为关断时各个时间段的电压。

    i(on)、v(on)与di/dt有关[5],i(off)、v(off)与du/dt有关,因此,随着IGBT的di/dt与du/dt的减小,IGBT的损耗也随之减小。

2 IGBT开通时di/dt控制分析

    IGBT开通时di/dt控制模型如图2所示。

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    在IGBT的发射极串联一个电感LE,在开通时,LE产生一个正比于di/dt的超调电压UL。将这个反馈电压转化为可控的反馈电流反馈到栅极,调节电路中的参数α,实现对栅极电流的调控,从而控制开通时di/dt的变化。

2.1 开通时控制电路及控制分析

    如图3所示,为实现将电压值转化为可调的电流值,控制电路采用电压控制的镜像电流源模块[6]。当电阻R1=R2=R5=R6,R3=R4时,R4上流过的电压与输入电压UL相等。由于运放“虚短”和“虚断”特点,因此流入运放的电压为零,电阻R4上流过的电压与电阻R0上流过的电压相等。这样控制电阻R0的值,就得到可控的反馈电流值IL,如式(5)所示。

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2.2 开通时di/dt控制电路及控制分析

    由图4可知,在IGBT的发射级串联一个无源反馈电感LE,IGBT在开通时LE反馈一个负的电压值为UL,如式(6)所示。

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由式(5)和式(6)可知,反馈电流IL值为正。IL不能直接加在栅极,以免对栅极电流造成冲击,因此需要引入一个由Q5、Q6组成的镜像电路,将流过Q6的电流镜像到流过Q5的电路上反馈到栅极。这样,实现了对IGBT开通时栅极电流的调控,IGBT开通时di/dt得到控制,如式(7)所示。

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其中,gm是开关器件的跨导(A/V),VT是栅极阈值电压(V),Rg是栅极电阻(Ω),IL是发射级流过的电流(A),Cgc是开关器件栅极-集电极之间的电容(F),Cge是开关器件栅极-发射极间的电容(F),Vcc是栅极开通驱动电压,取+15 V。

3 IGBT关断时du/dt控制分析

    IGBT关断时du/dt控制模型如图5所示。

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    在IGBT的集电极并联一个电容CQ,在IGBT关断时,电容CQ开始放电,产生一个正比于du/dt的超调电流与栅极电流相加。通过调节电路中的参数,实现对栅极电流的调控,从而调节IGBT关断时的du/dt的变化。

3.1 关断时控制电路及控制分析

    如图6所示,为了将电流值IQ变成一个可调的电流值,控制电路采用电流控制的镜像电流源电路。当输入电流为IQ时,由于运算放大器的“虚短”和“虚断”特性,流入运放电流为零,电流全部流过电阻R1。又由Ui=Uo,这样控制电阻R2的值,就可以得到可控的电流值Io,如式(8)所示。

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3.2 关断时du/dt控制电路及控制分析

    由图7可知,当IGBT关断时,CQ开始放电,放电电流为2IQ,通过Q1、Q2组成的镜像电路将电流均分为两路电流值都为IQ的电流,2IQ电流值如式(9)所示。

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    由式(8)可知,通过两次的电流源控制的镜像电流源,将电流转换为βIQ。设置参数β时,应满足β<1,防止电容CQ的无功补偿。同理,后级电路经过Q3、Q4组成的镜像电路,将流过Q3的电流?茁IQ镜像到流过Q4上,Q1与Q4的电流叠加为(1-β)IQ,进而反馈到栅极,实现对关断时栅极电流的调控,IGBT关断时du/dt得到控制,如式(10)所示。

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其中,VEE是栅极关断驱动电压(V),取-15 V。

4 仿真与实验

4.1 仿真分析

    在Saber软件中搭建IGBT双脉冲测试电路进行仿真,IGBT型号选用IR公司生产的IRGPC50s;开关频率为10 kHz;LS电感值设定为3 μH;反馈电感值选择10 nH;反馈电容值选择20 pF;调节α值为2:1,3:1,4:1,β值为1:2,1:3,1:4时所对应的开通di/dt和关断du/dt的仿真波形如图8所示。

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    从图8(a)和图8(b)仿真波形可知,随着参数α的增大,对应IGBT开通时的di/dt随之变小。随着参数β的变小,对应IGBT关断时的du/dt随之减小。

4.2 实验分析

    为了验证理论分析及仿真的正确性,搭建了双脉冲实验平台。实验参数为:IGBT型号为Hgtg20n120cn;开关频率为10 kHz;LS电感值为1 μH;反馈电感值选择10 nH,反馈电容值选择20 pF。调节α值为2:1,3:1,4:1和β值为1:2,1:3,1:4时所对应的开通di/dt和关断du/dt的实验波形如图9所示。

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    图9(a)和图9(b)分别为IGBT开通与关断时di/dt和du/dt对应的波形,实验验证,随着参数α的增大,对应IGBT开通时的di/dt随之减小。随着参数β的变小,对应IGBT关断时的du/dt随之减小。

    在500 V/50 A实验条件下,表1给出了IGBT在开通时不同的参数α对应的测试数据。表2给出了IGBT在关断时不同的参数β对应的测试数据。

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    由表1和表2可知,随着参数α的增大,对应IGBT开通时的Irr随之减小,开通时间增加,开通时的损耗减小。随着参数β的变小,对应IGBT关断时的Vos随之变小,关断时间增加,关断时的损耗变小。

5 结论

    本文提出的驱动控制方法能够实现对IGBT开通di/dt与关断du/dt的控制。通过调节参数α能有效调节IGBT开通时di/dt的变化,调节参数β能有效调节IGBT关断时du/dt的变化,从而抑制IGBT开通时电流过冲和关断时的过压损坏,有效抑制开关管的误导通。同时减小了IGBT开通与关断时的损耗,有利于提高IGBT的运行可靠性,延长器件使用寿命。

参考文献

[1] 苏伟,钟玉林,刘钧,等.基于HCPL-316 J的IGBT过流保护研究[J].电工电能新技术,2014(4):67-70.

[2] 郭永,贺超,陈国柱.驱动脉冲边沿调制技术及其在开关尖峰抑制上的应用[J].中国电机工程学报,2015,35(6):1482-1489.

[3] 李文韬,程善美.IGBT闭环变电阻开关策略研究[J].变频器世界,2015(4):46-49.

[4] Lu Shu,Zhang Junming,Peng Fangzheng,et al.Active current source IGBT gate drive with closed-loop di/dt and dv/dt control[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,32(5):3787-3796.

[5] Maswood Ali.I.A switching loss study in SPWM IGBT inverter[C].Power and Energy Conference,2008.Pecon 2008.IEEE,International.IEEE,2009:609-613.

[6] 任美辉,赵玉梅,梁原华.镜像电流源原理及其应用电路[J].电测与仪表,2006,43(4):34-36.



作者信息:

杜  祥1,2,陈  权1,3,王群京2,3,许杭蓬1,2

(1.安徽大学 电气工程与自动化学院,安徽 合肥230601;

2. 安徽大学 高节能电机及控制技术国家地方联合实验室,安徽 合肥230601;

3. 安徽大学 教育部电能质量工程研究中心,安徽 合肥230601)

didt dudt 电流过冲 过压损坏