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IGBT多階段驅動的改電阻法分析

作者:海飛樂技術 時間:2019-06-10 17:37

  多階段驅動方法就是將IGBT開通關斷過程分段控制,對不同的階段采取不同的控制方法,這樣就可以盡量減小因為控制而造成的開關延時和開關損耗,從而在實現相同控制目標的條件下,由更短的開關時間和更小的開關損耗?,F有的多階段驅動方法可以分為兩大類,分別是改電阻法和改電壓法,改電阻法就是通過在控制階段改驅動電阻實觀控制,改電壓法則是通過在控制階段改驅動電壓實現控制,兩種方法從原理上來說是一樣的,都是通過減慢IGBT開關速度,減小dICE/dt和dVCE/dt成來控制電壓電流過程,但是由于IGBT模塊內部和驅動電路上有各種寄生參數,所以兩種方法還是有一些不同,下面分析改電阻法這種方法的工作原理和控制方法。
 
  改電阻法
  改電阻法在控制階段增大驅動電阻,進而減小dICE/dt和dVCE/dt,從而控制電壓電流過沖,最簡單的切電阻電路如圖1所示,其中R1阻值很大,R2阻值很小,正常情況下開關S1導通,R1和R2并聯組成驅動電阻,在控制階段,S1斷開,R1為驅動電阻。和之前分析一樣,我們還是將開通過程和關斷過程分開分析。

驅動電阻切換電路 
圖1 驅動電阻切換電路
  開通過程:切電阻法開通過程控制示意圖如圖下。
切電阻法升通過程控制示意圖 
圖2 切電阻法升通過程控制示意圖
 
  根據圖2分析,在ICE開始上升時,驅動電阻從小電阻切換成大電阻,直到上管反并二極管反向恢復電流消失,將驅動電阻從大電阻變為小電阻。由于電流上升階段驅動電阻很大,所以電流上升速度會變慢,電流過沖也就會降低,這樣就實現了對電流過沖的控制。圖3是切電阻法開通過程實驗波形。
切電阻法開通過程實驗波形 
圖3 切電阻法開通過程實驗波形(Rg從3.3Ω切換到120Ω)
 
  關斷過程切電壓法控制示意圖如圖5,當VCE開始上升后,將驅動電阻切換成大電阻,直到ICE下降過程結束,切電阻法關斷過程實驗波形如圖4。
切電阻法關斷過程實驗波形 
圖4  切電阻法關斷過程實驗波形(Rg從15Ω切換到150Ω)
切電阻法關斷過程控制示意圖
圖5 切電阻法關斷過程控制示意圖
  這種方法有著前文所說的多階段方法的優點,開通時只在ICE上升階段和上管反并二極管反向恢復電流階段進行控制,在其他階段如VCE下降階段不進行控制,關斷時只在VCE上升和ICE下降階段控制,節省了一些開關時間,減小了開關損耗。但是該方法也有一些問題:
  第一個就是切電阻電路需要控制開關,而且開關需要加在驅動電阻附近,很難將這個開關信號和功率回路隔離起來,所以這個開關的控制信號易受功率回路噪聲的干擾,嚴重時會影響驅動電路正常工作。
  第二個是開通過程反饋控制難以設計,切電阻法必須在ICE開始上升時就將驅動電阻切換成大電阻,如果在ICE上升一段時間后再切驅動電阻就會影響控制效果,無法將電流過沖控制的較低,舉例說明,用改電阻法減小電流過沖,控制方法是在控制時間內將驅動電阻從原來的3.3Ω改為更大的驅動電阻來減小電流過沖,當控制時驅動電阻阻值為60歐姆時,電流ICE過沖為70A,繼續增大該電阻阻值,比如增大到200歐姆甚至更高,電流ICE過沖仍然接近70A,電流過沖并沒有如理論分析一般,隨著驅動電阻的增大而減小。具體原因分析如下:
  開通時該階段的IGBT等效模型如圖6所示。該階段有兩股電流給Cge充電,一個是驅動電流Ig,另外一個是VCE變化在CgC上產生的感應電流IgC??刂浦?,Ig較大,IgC很小且方向和圖中箭頭方向相反。開始控制后,驅動電阻突然從原本的3.3Ω突然變的很大,相當于Ig變為0,所以對門極電容Cge充電的電流會突然減小,電流上升速度也會突然減小。由于功率回路中雜散電感Ls的存在,IGBT兩端的電壓VCE會減小一點,減小的值和電流ICE上升速度和雜散電感大小有關,表達式如公式1:
計算公式1(1)
  當電流上升速度突然減小時,該減小的值會變小,VCE會上升,該現象實驗波形如圖7。VCE上升會在電容CgC上產生一個感應電流IgC,其大小如表達式2所示:
計算公式2(2)
  雖然Ig為0,但是有IgC流過門極電容Cge對其充電,使得IGBT集電極電流ICE仍然以較快的速度上升。所以無論將驅動電阻改的多大,即使驅動回路斷路了,電流ICE的上升速度仍然較快,ICE過沖也較高,無法再降低。所以只能在ICE開始上升之前就開始控制,使ICE上升速度始終保持在一個較慢的速度,才能有效的控制電流過沖。
  我們可以根據IGBT數據手冊查出CgC的大小,通過實驗測出電壓VCE的上升速度,佑算出電流IgC的大小。根據實驗波形測出VCE的上升速度大約為0.1V/ns,查出CgC的大小約為1nF。根據公式2算出IgC大小約為0.1A,大約相當于驅動電阻為30~50歐姆時的充電速度。所以即使在控制時將驅動電阻改的很大,門極電容Cge仍然在較快速的充電,電流上升速度仍然不慢,電流過沖化就無法降低。
IGBT開通階段驅動電阻突然增大的等效電路圖 
圖6 IGBT開通階段驅動電阻突然增大的等效電路圖
IGBT開通階段驅動電阻突然增大實驗波形 
圖7 IGBT開通階段驅動電阻突然增大實驗波形
 
  由于這個現象的存在,必須在ICE上升時或者上升前就將驅動電阻切換成大電阻。因為反饋回路以及控制電路有一些延時,所以無法通過采樣ICE或者DICE/dt信號來控制電流過沖,這就使得開通過程反饋控制很難實現。
  第三點是驅動電阻阻值很難改變,無法實現不同的控制效果(不同的電壓電流過沖),有文獻提出了一種用于切換不同阻值的芯片,可以在控制時改變驅動電阻,但是該芯片內部結構很復雜,驅動電路成本很高。




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