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IGBT多階段驅動的改電壓法分析

作者:海飛樂技術 時間:2019-06-12 17:38

  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,下面分析改電壓法這種方法的工作原理和控制方法。
 
改電壓法
  和改電阻法不同的是,改電壓法是在控制階段改變驅動電壓來控制電壓電流過沖。改驅動電壓的方法大概有兩種,一種是通過電阻分壓實現改驅動電壓,另外一種是在控制芯片(DSP FPGA)中改變輸出信號,然后通過D/A芯片轉換為模擬量來改變驅動電壓。改電壓法開通過程控制示意圖如圖2所示,實驗波形如圖1所示。

改電壓法開通過程實驗波形 
圖1 改電壓法開通過程實驗波形(Vdrive從15V切換到11V)
改電壓法開通過程控制示意圖 
圖2 改電壓法開通過程控制示意圖
  改電壓法和改電阻法的開通過程控制方法基本一樣,控制階段是一樣的,從ICE上升開始,到上管反并二極管的反向恢復電流結束,只不過改電壓法是改驅動電阻。
  改電壓法關斷過程控制示意圖如圖4,實驗波形如圖3。
改電壓法關斷過程實驗波形 
圖3 改電壓法關斷過程實驗波形(Vdrive從-10V切換到2.5V)
改電壓法關斷過程控制示意圖 
圖4 改電壓法關斷過程控制示意圖
  和改電阻法一樣,關斷過程中改電壓法也是從VCE上升開始控制,直到ICE下降到接近0結束控制。
  改電壓法化有多階段驅動具有的優點,前面已經詳細介紹過了,其缺點化和改電阻法類似,下面介紹其缺點:
  1:現有的改電壓法在控制階段改變驅動電壓的方法有兩種,一種是通過開關(MOSFET)切換分壓電阻改變驅動電壓;另一種是通過D/A芯片改變驅動電壓。前者有著和改電壓法一樣的問題,控制開關的信號很難和功率回路隔離,信號易受功率回路噪聲影響,后者的問題是D/A芯片增加成本和電路復雜程度,同時增大了控制環路延時,影響反饋控制。
  第二點是開通過程反饋控制難以實現,和改電阻法一樣,必須從ICE開始上升時就開始控制。否則會有兩種情況:1.如果驅動電壓較高,和改電阻法一樣,ICE過沖會較高。2.如果驅動電壓較低,則會使ICE下降甚至造成IGBT誤關斷。具體原因分析:
  IGBT這個階段驅動回路等效模型和分析改電阻法缺點中的等效模型一樣,如圖2.20所示。由于Rg很小,所以Ig比IgC要大很多,所以在分析改電壓法缺陷時可以忽略IgC的影響,這樣將等效模型再簡化,就只有驅動回路。由于Rg很小,所以要考慮驅動回路寄生電感Lg的存在,簡化模型如圖5。
改電壓法開通過程控制階段簡化模型 
圖5 改電壓法開通過程控制階段簡化模型
  如果控制時的驅動電壓較高,由于驅動回路寄生電感Lg的存在,Ig變小需要一段時間(大約幾十ns)。在這個階段,Vge仍然會以較快的速度上升,就無法將ICE的過沖降的很低。如果想要將ICE過沖控制的很低,就需要將驅動電壓降的很低,甚至會低于當前的Vge,這樣就會造成ICE下降,甚至會造成誤關斷,反而影響了IGBT的正常工作。為了IGBT能夠正常工作,控制階段的驅動電壓至少要比控制前的Vge大,這樣就會無法將ICE過沖降得較低,在設計電路時仍然需要留有較大的IGBT電流裕量。
  第三點是控制階段驅動電壓Vcom很難改變,無法實現不同的控制效果(不同的電壓電流過沖)。有文獻提出在數字控制電路中加入D/A心片來改變Vcom的方法,但是這樣不僅增加成本,而且增加了控制環路的延時,有可能會導致控制不準確甚至控制失效。不能算是一種好方法,實際應用中也不可能這么用。




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