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確定IGBT柵極驅動電阻和電容參數的方法

作者:海飛樂技術 時間:2020-06-16 16:25

  在變頻器研制過程中,IGBT柵極驅動電阻和電容參數的選配是一個重要的環節,其參數的合理選擇與否直接關系到IGBT能否安全穩定的工作。雖然IGBT官方手冊中給出柵極驅動電阻和電容的參考值,但是由于變頻器內部結構和驅動電路等因素的差異,該參考值并不能滿足實際使用;為此,實踐中需要根據試驗的方法來重新確定驅動電阻和電容的參數。
 
1. IGBT柵極驅動電阻和電容的作用和選取原則
1.1 驅動電路
  實際使用的IGBT柵極驅動電路如圖1所示,驅動電阻由Ron和Roff兩部分組成。柵極電容并接在IGBT的柵極和發射極之間;當IGBT開通時,驅動電源經Ron給IGBT柵極和Cge充電;關斷時,IGBT柵極和Cge經Roff放電。

IGBT柵極驅動電路圖 
圖1 IGBT柵極驅動電路圖
 
1.2 柵極驅動電阻的作用
  IGBT的開通和關斷主要是靠驅動電路經柵極驅動電阻的充放電來控制的,因而柵極驅動電阻對IGBT開通和關斷過程影響極大。
  其作用主要有:
  ①調節IGBT的開關速度;通過調節驅動電阻來調整IGBT柵極充放電時間,進而達到調節IGBT開關速度的目的;
  ②消除柵極震蕩;由于驅動脈沖邊沿很陡,柵極驅動回路寄生電感和柵極電容之間容易形成LC震蕩,通過電阻的阻尼作用,可以消除該震蕩;
  ③轉移驅動器的功率損耗;由于驅動電阻的存在,驅動電壓會大部分降落在驅動電阻上,從而有效避免因驅動電壓降落在MOS管上,導致其功率損耗過大進而遭到損壞的可能;
  ④調節Vce脈沖前后沿的陡度,開通電阻Ron和Roff的分開使用可以調節脈沖前后沿陡度,使對IGBT的開通電流峰值和關斷電壓尖峰進行單獨優化成為可能。
 
1.3 柵極驅動電容的作用
  柵極驅動電容的主要作用是減緩IGBT開通、關斷過程,抑制電流變化率di/dt和電壓變化率du/dt,但同時會增加IGBT的開通損耗。
 
1.4 選取原則
  ⑴IGBT柵極驅動電阻既不能太小,又不能太大。當驅動電阻小時,IGBT開通和關斷速度快、開關損耗小,但是di/dt和du/dt大,IGBT尖峰電壓高、IGBT損壞風險增大;當驅動電阻大時,IGBT開通和關斷速度慢,開關損耗大,但di/dt和du/dt減小,直流母線電壓尖刺減小,IGBT工作在安全區域。
  ⑵IGBT柵極驅動電電容既不能太小,又不能太大。驅動電容太小,起不到抑制di/dt、du/dt的作用;太大則會增加IGBT的開關損耗。
  ⑶必須保證IGBT正常工作在手冊規定的安全區域內,在此前提下盡可能選擇小的驅動電阻和電容,以實現盡可能小的開關損耗;工程上,一般在官方手冊參考值到其兩倍數值之間進行選取[1],并通過試驗的方法來確定最優驅動電阻和電容值。
 
2. 確定IGBT柵極電阻和電容參數的方法
2.1 方法介紹
  為了確定驅動電阻、電容參數,采用雙脈沖試驗方法,如圖2所示,該方法通過模擬上橋、下橋IGBT的開通和關斷的切換過程,不僅可以幫助確定合適的IGBT柵極驅動電阻和電容參數,而且能夠捕捉到變頻器運行時IGBT的開關過程,有利于提前發現問題并予以解決。
雙脈沖測試原理圖 
圖2 雙脈沖測試原理圖
 
2.2 雙脈沖試驗步驟
  ⑴如圖2所示,上橋IGBT的c極和e極并接電感;通過自耦變壓器經整流橋給母線電容逐漸升壓至額定;示波器測量上橋、下橋IGBT的Vce、Ic、Vge等參數。
  ⑵如圖3所示,給下橋IGBT發一個雙脈沖驅動信號,IGBT開通兩次。調整電感及脈沖寬度使IGBT第次開通時電流升高到IGBT額定電流后關斷,第二次開通時電流升高到2倍額定電流后再關斷;第二個脈沖在開通處,由于二極管反向恢復電流和電感電流的疊加,會有電流尖峰;在關斷處,由于雜散電感的影響,會有電壓尖峰。
  ⑶根據示波器測量的Vc(e上橋)、I(c上橋)、Vc(e下橋)、Ic(下橋)、Td(on)、Td(off)、Tr、Tf、Eon、Eoff等參數和手冊數據對比,確定所用電阻、電容參數是否合適,IGBT是否工作在安全工作區域。
THR80S06DB 
圖3 雙脈沖波形圖
 
3. 試驗實例
3.1 試驗數據
  實際雙脈沖試驗所用的IGBT為中車TIM500GDM33-PSA011,方法同上所述。中車IGBT官方手冊數據為:Ic=500A,Vces=3300V,Ic(RM)=1000A,雙管型。試驗數據如附表所示。
  附表說明:
  1.數據1是用IGBT官方手冊上的參數Ron=3.3Ω,Roff=4.8Ω,Cge=330nF測得的;
  2.數據2是在數據1參數的基礎上將Roff增大到8.2Ω測得的,即Ron=3.3Ω,Roff=8.2Ω,Cge=330nF;
  3.數據3是在數據2參數的基礎上將Cge=330nF的電容去掉后測得的,即Ron=3.3Ω,Roff=8.2Ω,Cge=無;
  4.本次試驗條件Vdc=1800V,Ic=500A,Vge開通電壓+15V,和手冊一致。但關斷電壓Vge為-10V和手冊上-15V不一樣。
 
3.2 試驗實例數據分析
3.2.1 數據1和官方手冊數據對比分析
  用IGBT手冊推薦的Ron、Roff、Cge參數實際測量的數據和手冊數據出入較大,具體有:實測開通損耗為509mJ,而手冊為750mJ;實測關斷損耗為630mJ,而手冊1050mJ;這是由于測試環境溫度、整機結構、測試用的電感等因素的差異、測量誤差以及驅動關斷電壓不同等條件造成的。
 
3.2.2 數據1分析
  ①IGBT尖峰電壓是三者里面最高的,具有更大的損壞IGBT風險,原則上該值越低越好;
  ②IGBT二極管反向恢復電流di/dt=1590kA/μs,接近手冊1700kA/μs限值;二極管反向恢復損耗Erec=531mJ超過手冊上460mJ限值,這就大大增加二極管損壞的風險。
 
3.2.3 數據2分析
  相比于數據1,增大Roff后的數據2更有利于IGBT的安全運行。首先,IGBT尖峰電壓更低了,從2294V下降到了2058V;其次,二極管反向恢復電流變化率變小了,di/dt從1590kA/μs下降到1392kA/μs;再次,二極管反向恢復損耗Erec從531mJ降到449mJ。綜合這些因素可知:數據2相比數據1更有利于IGBT安全運行,更不容易損壞IGBT。
  同時也應該看到,增大Roff后也帶來了關斷損耗增加、關斷速度變慢等不利影響;但增加幅度不大,不是影響IGBT的安全和性能的主要因素。在實際使用中可以通過工程優化加以解決。
 
3.2.4 數據3分析
  去掉Cge的數據3相比于數據2最明顯的變化是IGBT開通和關斷變得更快了,其有利的方面是IGBT開通損耗降低了,從462mJ下降到282mJ,降幅明顯,但對于關斷損耗影響不大;不利方面在于二極管反向恢復電流的峰值和di/dt都增大了;其中di/dt從1392kA/μs
增加大3956kA/μs,是手冊1700kA/μs限值的2倍多,電流峰值從335A增加到580A,是手冊上360A的1.7倍;這兩個不利因素對IGBT的安全運行威脅很大,必須加以限制。
  通過數據3和數據2的對比,能夠知道電容Cge能夠延緩IGBT的開關過程,能夠有效減小二極管反向電流的峰值和di/dt,同時減小二極管的反向恢復損耗,對IGBT有保護作用,不能去掉。
實驗數據 
 
4. 結論
  通過以上數據分析可以得知:IGBT官方手冊提供的電阻和電容參數并不適合實際研制變頻器,而數據2參數比較適合;實際研制的變頻器采用了數據2的參數,在現場運行一年多來,一直處于安全穩定的運行,各方面性能均達到了設計預期。這也證明了通過雙脈沖試驗確定的電阻電容參數是合理的,是符合實際變頻器的。
  綜上所述,確定IGBT柵極驅動電阻和電容參數的試驗方法,即雙脈沖試驗是一種很重要的試驗方法,是研制變頻器過程中非常重要的一個環節;它對保證IGBT工作在安全區域內,保證變頻器安全穩定運行具有重要的實際意義。




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