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确定IGBT栅极驱动电阻和电容参数的方法

发布日期:2019-05-15   来源:《变频器世界》19-03期   作者:朱海军(Zhu Haijun) 丁彬(Ding Bin) 马永宁(Ma Yongning) 刘彬(L   浏览次数:1207
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【摘   要】:本文主要介绍IGBT栅极驱动电阻和电容的作用及选取原则,阐述如何确定IGBT栅极驱动电阻、电容参数的方法和步骤,提供了具体的试验实例,并结合实例中的试验数据对不同驱动电阻和电容情况下IGBT开关过程各参数的变化情况进行了详细的分析。

关键词:IGBT栅极驱动;栅极驱动电阻;栅极电容;双脉冲试验

1 引言

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。

2 IGBT栅极驱动电阻和电容的作用和选取原则

2.1 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RonRoff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RonIGBT栅极和Cge充电;关断时,IGBT栅极和CgeRoff放电[2]

 

1 IGBT栅极驱动电路图

2.2 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[1],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[2]

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;

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。

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;

调节Vce脉冲前后沿的陡度,开通电阻RonRoff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。

2.3 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。

2.4 选取原则

 IGBT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/dtdu/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/dtdu/dt减小,直流母线电压尖刺减小,IGBT工作在安全区域。

 IGBT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/dtdu/dt的作用;太大则会增加IGBT的开关损耗。

 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。

3 确定IGBT栅极电阻和电容参数的方法

3.1 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[3],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。

 

2 双脉冲测试原理图                        

3.2 双脉冲试验步骤

 如图2所示,上桥IGBTc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IGBTVceIcVge等参数。

 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第一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。

 根据示波器测量的Vce(上桥)、Ic(上桥)、Vce(下桥)、Ic(下桥)、TdonTdoffTrTfEonEoff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。

 

3 双脉冲波形图

4 试验实例

4.1 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=500AVces=3300VIcRM=1000A,双管型。试验数据如表1所示。

1 试验数据

数据名称

官方数据

数据1

数据2

数据3

开通损耗Eon

750 mJ

509 mJ

462 mJ

282 mJ

关断损耗Eoff

1050 mJ

630 mJ

637 mJ

628 mJ

开通延时时间Tdon

920 ns

1360 ns

1280 ns

560 ns

关断延时时间Tdoff

2360 ns

2740 ns

3360 ns

2560 ns

关断下降时间Tf

600 ns

1170 ns

1300 ns

1240 ns

IGBT尖峰电压

3300 V

2294 V

2058 V

2260 V

二极管反向恢复电流峰值

360 A

319 A

335 A

580 A

二极管反向恢复di/dt

1700 kA/μs

1590 kA/μs

1392 kA/μs

3956 kA/μs

二极管反向恢复损耗Erec

460 mJ

531 mJ

449 mJ

370  mJ

1说明:

1. 数据1是用IGBT官方手册上的参数Ron=3.3ΩRoff=4.8ΩCge=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=3.3ΩRoff=8.2ΩCge=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=3.3ΩRoff=8.2ΩCge=无;

4. 本次试验条件Vdc=1800VIc=500AVge开通电压+15V,和手册一致。但关断电压Vge-10V和手册上-15V不一样。

4.2 试验实例数据分析

4.2.1 数据1和官方手册数据对比分析

IGBT手册推荐的RonRoffCge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509 mJ,而手册为750 mJ;实测关断损耗为630 mJ,而手册1050 mJ;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。

4.2.2 数据1分析

 IGBT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;

 IGBT二极管反向恢复电流di/dt=1590 kA/μs,接近手册1700 kA/μs限值;二极管反向恢复损耗Erec=531 mJ超过手册上460 mJ限值,这就大大增加二极管损坏的风险。

4.2.3 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2294 V下降到了2058 V;其次,二极管反向恢复电流变化率变小了,di/dt1590 kA/μs下降到1392 kA/μs;再次,二极管反向恢复损耗Erec531 mJ降到449 mJ。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。

4.2.4 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462 mJ下降到282 mJ,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/dt1392 kA/μs增加大3956 kA/μs,是手册1700 kA/μs限值的2倍多,电流峰值从335 A增加到580 A,是手册上360 A1.7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

5 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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