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IGBT多阶段驱动的改电压法分析

作者:海飞乐技术 时间:2019-06-12 17:38

  多阶段驱动方法就是将IGBT开通关断过程分段控制,对不同的阶段采取不同的控制方法,这样就可以尽量减小因为控制而造成的开关延时和开关损耗,从而在实现相同控制目标的条件下,由更短的开关时间和更小的开关损耗。现有的多阶段驱动方法可以分为两大类,分别是改电阻法和改电压法,改电阻法就是通过在控制阶段改驱动电阻实观控制,改电压法则是通过在控制阶段改驱动电压实现控制,两种方法从原理上来说是一样的,都是通过减慢IGBT开关速度,减小dICE/dt和dVCE/dt成来控制电压电流过程,但是由于IGBT模块内部和驱动电路上有各种寄生参数,所以两种方法还是有一些不同,下面分析改电压法这种方法的工作原理和控制方法。
 
改电压法
  和改电阻法不同的是,改电压法是在控制阶段改变驱动电压来控制电压电流过冲。改驱动电压的方法大概有两种,一种是通过电阻分压实现改驱动电压,另外一种是在控制芯片(DSP FPGA)中改变输出信号,然后通过D/A芯片转换为模拟量来改变驱动电压。改电压法开通过程控制示意图如图2所示,实验波形如图1所示。

改电压法开通过程实验波形 
图1 改电压法开通过程实验波形(Vdrive从15V切换到11V)
改电压法开通过程控制示意图 
图2 改电压法开通过程控制示意图
  改电压法和改电阻法的开通过程控制方法基本一样,控制阶段是一样的,从ICE上升开始,到上管反并二极管的反向恢复电流结束,只不过改电压法是改驱动电阻。
  改电压法关断过程控制示意图如图4,实验波形如图3。
改电压法关断过程实验波形 
图3 改电压法关断过程实验波形(Vdrive从-10V切换到2.5V)
改电压法关断过程控制示意图 
图4 改电压法关断过程控制示意图
  和改电阻法一样,关断过程中改电压法也是从VCE上升开始控制,直到ICE下降到接近0结束控制。
  改电压法化有多阶段驱动具有的优点,前面已经详细介绍过了,其缺点化和改电阻法类似,下面介绍其缺点:
  1:现有的改电压法在控制阶段改变驱动电压的方法有两种,一种是通过开关(MOSFET)切换分压电阻改变驱动电压;另一种是通过D/A芯片改变驱动电压。前者有着和改电压法一样的问题,控制开关的信号很难和功率回路隔离,信号易受功率回路噪声影响,后者的问题是D/A芯片增加成本和电路复杂程度,同时增大了控制环路延时,影响反馈控制。
  第二点是开通过程反馈控制难以实现,和改电阻法一样,必须从ICE开始上升时就开始控制。否则会有两种情况:1.如果驱动电压较高,和改电阻法一样,ICE过冲会较高。2.如果驱动电压较低,则会使ICE下降甚至造成IGBT误关断。具体原因分析:
  IGBT这个阶段驱动回路等效模型和分析改电阻法缺点中的等效模型一样,如图2.20所示。由于Rg很小,所以Ig比IgC要大很多,所以在分析改电压法缺陷时可以忽略IgC的影响,这样将等效模型再简化,就只有驱动回路。由于Rg很小,所以要考虑驱动回路寄生电感Lg的存在,简化模型如图5。
改电压法开通过程控制阶段简化模型 
图5 改电压法开通过程控制阶段简化模型
  如果控制时的驱动电压较高,由于驱动回路寄生电感Lg的存在,Ig变小需要一段时间(大约几十ns)。在这个阶段,Vge仍然会以较快的速度上升,就无法将ICE的过冲降的很低。如果想要将ICE过冲控制的很低,就需要将驱动电压降的很低,甚至会低于当前的Vge,这样就会造成ICE下降,甚至会造成误关断,反而影响了IGBT的正常工作。为了IGBT能够正常工作,控制阶段的驱动电压至少要比控制前的Vge大,这样就会无法将ICE过冲降得较低,在设计电路时仍然需要留有较大的IGBT电流裕量。
  第三点是控制阶段驱动电压Vcom很难改变,无法实现不同的控制效果(不同的电压电流过冲)。有文献提出在数字控制电路中加入D/A心片来改变Vcom的方法,但是这样不仅增加成本,而且增加了控制环路的延时,有可能会导致控制不准确甚至控制失效。不能算是一种好方法,实际应用中也不可能这么用。




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