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确定IGBT栅极驱动电阻和电容参数的方法

作者:海飞乐技术 时间:2020-06-16 16:25

  在变频器研制过程中,IGBT栅极驱动电阻和电容参数的选配是一个重要的环节,其参数的合理选择与否直接关系到IGBT能否安全稳定的工作。虽然IGBT官方手册中给出栅极驱动电阻和电容的参考值,但是由于变频器内部结构和驱动电路等因素的差异,该参考值并不能满足实际使用;为此,实践中需要根据试验的方法来重新确定驱动电阻和电容的参数。
 
1. IGBT栅极驱动电阻和电容的作用和选取原则
1.1 驱动电路
  实际使用的IGBT栅极驱动电路如图1所示,驱动电阻由Ron和Roff两部分组成。栅极电容并接在IGBT的栅极和发射极之间;当IGBT开通时,驱动电源经Ron给IGBT栅极和Cge充电;关断时,IGBT栅极和Cge经Roff放电。

IGBT栅极驱动电路图 
图1 IGBT栅极驱动电路图
 
1.2 栅极驱动电阻的作用
  IGBT的开通和关断主要是靠驱动电路经栅极驱动电阻的充放电来控制的,因而栅极驱动电阻对IGBT开通和关断过程影响极大。
  其作用主要有:
  ①调节IGBT的开关速度;通过调节驱动电阻来调整IGBT栅极充放电时间,进而达到调节IGBT开关速度的目的;
  ②消除栅极震荡;由于驱动脉冲边沿很陡,栅极驱动回路寄生电感和栅极电容之间容易形成LC震荡,通过电阻的阻尼作用,可以消除该震荡;
  ③转移驱动器的功率损耗;由于驱动电阻的存在,驱动电压会大部分降落在驱动电阻上,从而有效避免因驱动电压降落在MOS管上,导致其功率损耗过大进而遭到损坏的可能;
  ④调节Vce脉冲前后沿的陡度,开通电阻Ron和Roff的分开使用可以调节脉冲前后沿陡度,使对IGBT的开通电流峰值和关断电压尖峰进行单独优化成为可能。
 
1.3 栅极驱动电容的作用
  栅极驱动电容的主要作用是减缓IGBT开通、关断过程,抑制电流变化率di/dt和电压变化率du/dt,但同时会增加IGBT的开通损耗。
 
1.4 选取原则
  ⑴IGBT栅极驱动电阻既不能太小,又不能太大。当驱动电阻小时,IGBT开通和关断速度快、开关损耗小,但是di/dt和du/dt大,IGBT尖峰电压高、IGBT损坏风险增大;当驱动电阻大时,IGBT开通和关断速度慢,开关损耗大,但di/dt和du/dt减小,直流母线电压尖刺减小,IGBT工作在安全区域。
  ⑵IGBT栅极驱动电电容既不能太小,又不能太大。驱动电容太小,起不到抑制di/dt、du/dt的作用;太大则会增加IGBT的开关损耗。
  ⑶必须保证IGBT正常工作在手册规定的安全区域内,在此前提下尽可能选择小的驱动电阻和电容,以实现尽可能小的开关损耗;工程上,一般在官方手册参考值到其两倍数值之间进行选取[1],并通过试验的方法来确定最优驱动电阻和电容值。
 
2. 确定IGBT栅极电阻和电容参数的方法
2.1 方法介绍
  为了确定驱动电阻、电容参数,采用双脉冲试验方法,如图2所示,该方法通过模拟上桥、下桥IGBT的开通和关断的切换过程,不仅可以帮助确定合适的IGBT栅极驱动电阻和电容参数,而且能够捕捉到变频器运行时IGBT的开关过程,有利于提前发现问题并予以解决。
双脉冲测试原理图 
图2 双脉冲测试原理图
 
2.2 双脉冲试验步骤
  ⑴如图2所示,上桥IGBT的c极和e极并接电感;通过自耦变压器经整流桥给母线电容逐渐升压至额定;示波器测量上桥、下桥IGBT的Vce、Ic、Vge等参数。
  ⑵如图3所示,给下桥IGBT发一个双脉冲驱动信号,IGBT开通两次。调整电感及脉冲宽度使IGBT第次开通时电流升高到IGBT额定电流后关断,第二次开通时电流升高到2倍额定电流后再关断;第二个脉冲在开通处,由于二极管反向恢复电流和电感电流的叠加,会有电流尖峰;在关断处,由于杂散电感的影响,会有电压尖峰。
  ⑶根据示波器测量的Vc(e上桥)、I(c上桥)、Vc(e下桥)、Ic(下桥)、Td(on)、Td(off)、Tr、Tf、Eon、Eoff等参数和手册数据对比,确定所用电阻、电容参数是否合适,IGBT是否工作在安全工作区域。
THR80S06DB 
图3 双脉冲波形图
 
3. 试验实例
3.1 试验数据
  实际双脉冲试验所用的IGBT为中车TIM500GDM33-PSA011,方法同上所述。中车IGBT官方手册数据为:Ic=500A,Vces=3300V,Ic(RM)=1000A,双管型。试验数据如附表所示。
  附表说明:
  1.数据1是用IGBT官方手册上的参数Ron=3.3Ω,Roff=4.8Ω,Cge=330nF测得的;
  2.数据2是在数据1参数的基础上将Roff增大到8.2Ω测得的,即Ron=3.3Ω,Roff=8.2Ω,Cge=330nF;
  3.数据3是在数据2参数的基础上将Cge=330nF的电容去掉后测得的,即Ron=3.3Ω,Roff=8.2Ω,Cge=无;
  4.本次试验条件Vdc=1800V,Ic=500A,Vge开通电压+15V,和手册一致。但关断电压Vge为-10V和手册上-15V不一样。
 
3.2 试验实例数据分析
3.2.1 数据1和官方手册数据对比分析
  用IGBT手册推荐的Ron、Roff、Cge参数实际测量的数据和手册数据出入较大,具体有:实测开通损耗为509mJ,而手册为750mJ;实测关断损耗为630mJ,而手册1050mJ;这是由于测试环境温度、整机结构、测试用的电感等因素的差异、测量误差以及驱动关断电压不同等条件造成的。
 
3.2.2 数据1分析
  ①IGBT尖峰电压是三者里面最高的,具有更大的损坏IGBT风险,原则上该值越低越好;
  ②IGBT二极管反向恢复电流di/dt=1590kA/μs,接近手册1700kA/μs限值;二极管反向恢复损耗Erec=531mJ超过手册上460mJ限值,这就大大增加二极管损坏的风险。
 
3.2.3 数据2分析
  相比于数据1,增大Roff后的数据2更有利于IGBT的安全运行。首先,IGBT尖峰电压更低了,从2294V下降到了2058V;其次,二极管反向恢复电流变化率变小了,di/dt从1590kA/μs下降到1392kA/μs;再次,二极管反向恢复损耗Erec从531mJ降到449mJ。综合这些因素可知:数据2相比数据1更有利于IGBT安全运行,更不容易损坏IGBT。
  同时也应该看到,增大Roff后也带来了关断损耗增加、关断速度变慢等不利影响;但增加幅度不大,不是影响IGBT的安全和性能的主要因素。在实际使用中可以通过工程优化加以解决。
 
3.2.4 数据3分析
  去掉Cge的数据3相比于数据2最明显的变化是IGBT开通和关断变得更快了,其有利的方面是IGBT开通损耗降低了,从462mJ下降到282mJ,降幅明显,但对于关断损耗影响不大;不利方面在于二极管反向恢复电流的峰值和di/dt都增大了;其中di/dt从1392kA/μs
增加大3956kA/μs,是手册1700kA/μs限值的2倍多,电流峰值从335A增加到580A,是手册上360A的1.7倍;这两个不利因素对IGBT的安全运行威胁很大,必须加以限制。
  通过数据3和数据2的对比,能够知道电容Cge能够延缓IGBT的开关过程,能够有效减小二极管反向电流的峰值和di/dt,同时减小二极管的反向恢复损耗,对IGBT有保护作用,不能去掉。
实验数据 
 
4. 结论
  通过以上数据分析可以得知:IGBT官方手册提供的电阻和电容参数并不适合实际研制变频器,而数据2参数比较适合;实际研制的变频器采用了数据2的参数,在现场运行一年多来,一直处于安全稳定的运行,各方面性能均达到了设计预期。这也证明了通过双脉冲试验确定的电阻电容参数是合理的,是符合实际变频器的。
  综上所述,确定IGBT栅极驱动电阻和电容参数的试验方法,即双脉冲试验是一种很重要的试验方法,是研制变频器过程中非常重要的一个环节;它对保证IGBT工作在安全区域内,保证变频器安全稳定运行具有重要的实际意义。




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