IGBT驱动电路设计wait6875编辑

IGBT驱动电路设计（w/6875编辑）（waitoofo编辑）需要解决的问题：IGBT为什么要用负压关断而MOS却不需要,米勒效应对IGBT驱动的影响IGBT栅极电阻的取值计算栅源电容Cg的作用输入电容Ciss=Cge+Cgc输出电容Coss=Cge+Cce反向电容（米勒电容）Crss=Cgc电源供电+16V、-7V：开通电压：为使通态压降最小，同时IGBT又具有较好的承受短路电流能力选择15V+10%的正栅极电压，可完全饱和，且开关损耗最小，12V时通态压降损耗加大，20V时难以实现过流以及短路保护。（解释：参照PDF可知12V时不完全饱和导通，Rds压降大损耗就大；由Vce和Vgs曲线可知20V时Vce变化小，且允许的短路时间短。）例:FF75R12KT4的模块，额定电流75A，2倍额定电流150A，允许的短路时间T=1msVgs=15V,Ic=75A,Vce=2.2V;Ic=150A,Vce=3.8V,T=1ms;Vgs=19V,Ic=75A,Vce=2.1V;Ic=100A,Vce=2.8V,T二？;这只是资料显示数据，实际中Vce会有偏差，还有温度对Vce的影响，温度越高，Vce越小关断电压：由于Cgc电容的存在，当IGBT关断时，电流会通过Rg_int，外部栅极电阻和驱动器，形成回路，并在栅极产生电压Uge=Igc*（Rg_int+R1//R2+Ro）,如果Ugc大于IGBT阈值电压，IGBT就会被开通，Uge越大，IGBT就会越接近饱和，这就是IGBT寄生开通（米勒效应）。这种状态维持时间并不长，大概在几十nS到100nS之间，但是也会导致很高的IGBT损耗，甚至会损坏IGBT，那么有效的方法就是加负压使Ugc（Cgc的电荷）快速泄放。有些电路没有负压，用自举电路的原理也是一样，但并不是所有都要负压关断，小功率中用0V关断（成本考虑）IGBT栅极负偏电压-VGE直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时集电极的浪涌电流明显下降，一般选择-5V到-15V之间，目的是出现噪声仍可关断，并可减小关断损耗的最佳取值为-8V至到-10，另外负压越高，需要的栅极充电电流就会越大，对驱动器的要求就会越高。IGBT开关频率：［不大于30KRo为前级PWM输出内阻：可以忽略，但也要根据实际选择的驱动器来确定Cg为外部栅源电容：用作电路调试，增大duce/dt的同时，有效的减小di/dt，加快IGBT开通速度，降低开通损耗。R3为栅源电阻（泄放电阻）|：第一提供直流偏置，第二为泄放电阻，IGBT静态时，为栅源极放电，保证安全，取值2K-20K，一般取10K。（这里结合阻抗的概念理解一下）D1为双向TVSRg_int为IGBT内部电阻IGBT驱动电路图AB之间的距离越短越好，不要超过20cm,CD直接连。开通Ron=Ro+R2+Rgint关断Roff=Ro+R1//R2+Rgint+D英飞凌FF450R120ME4模块PDF资料集电极一发射极饱和电压Collector-emittersaturationvoltagelc=450A,VGE=15VTvj=25°Clc=450A,VGE=15VJ=125°Clc=450A,VGE=15V1^=150°CVcemi1,752,002,052,10V栅极阈值电压Gatethresholdvoltagelc=17,0mA,Vce=VGe,Tv]=25°CVoEth5.25,86,4V栅极电荷（Gatecharge^r=-15V^+15^Qg3,30■/uC内部栅极电阻L=25。CRcirrt1,7J/?输入电容Inputcapacitancef=1MHz,Tvj=25°C,=25V,Vge=0VCies28,0」nF反向传输电容Reversetransfercapacitancef=1MHz.T^=25°C,=25V,VQE=0VCfe&1,55nF集电极-发射极截止电流Vce=1200V,Vge=0V,Tvj=25°CIces3,0mA栅极-发射极漏电流Vce=0V,Vg£=20V.Tvj=25°CIges400nA开通延迟时间（电感负载）〈1^450A,V方网VTv,=25°C±15V^<Tv,=125°CRgoc=1,3Tvj=150°Ct(jon0,190,220,22ususus上升时间（电感负栽）lc=450A,Vce=600VTvj=25°CVge=±15V1^=125°C=19T0,060,07nH7ususnc栅极电荷Qg=3.3uCIGBT内阻Rg_int=1.7。（正负15V）,外部开通电阻Rgon=1.3。（正负15V）输入电容Ciss=28nF,米勒电容Cgc=1.55nF,Cgs=28nF-1.55nF=26.45nF开关频率10K，周期100us,死区时间2us,Ton=48us（忽略延迟）-这里有待商榷计算部分：驱动功率P=F*^U1*Qg=10*10"3*（16+7）*33*10”（-6）=0.792W注意：如果是晶体管输出△U1=（VCC+VEE）的绝对值-2*管压降电阻的驱动功率Pr=2P=1.58W，一般选取直插系列3W电阻或者1W的3个2512的贴片并联（考虑长时间工作电阻发热，功率尽可能去取大一点）门极峰值电流Iapp二罚/（Rg_int+Rgon）=*（15+15）V/（1.7+1.3）。=10A峰值电流Ipeak=0.7Iapp=7A（0.7为峰值电流校正因数）IGBT模块技术驱动和应用第二版注意这里要求驱动器的输出峰值电流要足够大，一定要保证IGBT的栅极有足够的电荷，使IGBT完全饱和。（用脉冲变压器驱动使尤其要考虑这一点）

即△U1=16+7=23V,可以计算栅极电阻最小值：R1N23V/10A=2.3Q关于Rg、L对于上升时间的影响：(Cgs=1nF,VCgs=0.9*Vdrive)TR(nS)19492302045229Rg(ohm)10221001022100L(nH)303030808080可以看到L对上升时间的影响比较小，主要还是Rg影响比较大。上升时间可以用2*Rg*Cgs来近似估算，通常上升时间小于导通时间的二十分之一时，MOSFET开关导通时的损耗不致于会太大造成发热问题，因此当MOSFET的最小导通时间确定后Rg最大值也就确定了Rg■哈也■，一般Rg在取值范围内越小越好，但是考虑EMI的话可以40Cgs适当取大。栅极电阻最大值R1W48*10a(-6)/(26.45*10"(-9)*40)=45Q注意栅极震荡对驱动的影响门极电阻应该尽量靠近IGBT模块门极，过长的距离会在门极-发射极回路造成较大的电感，结合IGBT门极的输入电容特性，会组成一个LC电路。这个LC电路在某个参数点会出现振荡，可能会出现超过允许值的门极电压。这种振荡可以通过选用一个远大于最小谐振值的门极电阻来抑制，可以通过公式计算：栅极路径中不会引起振荡的最小栅极电阻RG.mm为式中，为栅极负载电感总和

求解式（6.6）式中，为栅极负载电感总和

求解式（6.6）得出/咛k为洁(Z/g+匕*<1或+LofF)(H)°(6.7)2nnAALepeak(6.8)七•标LX钵peak(6.8)式中，e为自然对数，e=2.71828。因此对于大的L，Rg（主要是汽强）的值也必须增大，以避免续流二极管的跳变行为。如果采用不同的栅极电阻&加和Rsfi，所需峰值电流由最小的电阻确定，从而选择驱动器。需要注意的是一些驱动芯片在【GBT开关期间，提供不同的峰值电流。在这种情况下，开关期间的峰值电流都应该加以计算且驱动芯片也要做出相应的选择。图6.26给出了含寄生元件的驱动级。理论上推导出来的？max（non-osc）的衰减因子0.74在实际应用中会受到以下限制进一步减小，如：驱动器的开关速度，门极回路传输线的属性以及驱动器支撑电容的内部时间常量。因此，实际应用中推荐衰减因子值0.70和理论得出的值0.74的效果是一致的。举例；如果门极输出电压摆幅WGate=25V，门极回路的电感量为20nH,并假设IGBT的输入电容量是30nF,那么:曲F3Q如果门极电阻阻值小于1.63。，门极电流就会开始震荡。假设这门极驱动上并不存在这个振荡。那么Rg=1.63。时最大非振荡门极电流为：•△吃25KIf、0.74—=0.74=11.4刀耳muXs-m）L63〔2igbt模块技术驱动和应用第二版英飞凌模块Rg选用（仅供参考）额定电流A1525405075100150200300400450600R1取值Q100473333224.74.73.3331.51.2R2取值Q4720107.57.56.86.85.15.15.13.32.2Qg给定uC0.240.330.330.381.11.42.12.83.73.65.0Rg_int给定Q86642.55.02.52.51.91.91.3Rgon给定Q75362727155.14.74.72.41.81.00.62----变频器产品模块Rg门极电阻的选型经验门极电阻的选型原则是达到最优的开关特性，包括较低的开关损耗、IGBT模块没有振荡、较低的续流二极管反向恢复电流、以及对最大dv/dt和di/dt的控制。以下是门极电阻选型中的一些经验：一般来说，额定电流大的IGBT模块可以用较小的门极电阻驱动，而额定电流小的IGBT模块一般需要用到较大的门极电阻。□最优的门极电阻值一般会在IGBT规格书中标注的值的一倍到两倍之间。这个经验适用于大部分的应用场合。IGBT规格书中给出的门极电阻一般是最小值，在标注的条件下，IGBT能在两倍的额定电流下安全关断。但实际应用参数和测试参数有所区别，所以规格书中的门极电阻值一般很难达到。最优的门极电阻值还是需要测试最终的系统来确定，可以使用两倍的规格书给定电阻值作为起始值进行测试。□多数应用情况下，开通门极电阻RG(on)会比关断门极电阻RG(off)小，根据实际的应用条件，RG(off)大概可以是RG(on)的两倍。□尽量地减小系统中尤其是直流母线的杂散电感非常重要，这有利于把IGBT的关断电压尖峰控制在规格书给定的范围内，特别是在短路关断时。一个简单有效的降低短路关断电压尖峰的方法是使用软关断电路。当驱动检测到短路发生时，会使用一个较大的关断电阻来减缓IGBT的关断速度。GateResitor-PrincipleandApplication设置栅极电阻的其他注意事项尽量减小栅极回路的电感阻抗，具体的措施有：驱动器靠近IGBT减小引线长度；即AB之间的长度不要超过20cm驱动的栅射极引线绞合(3转/2cm)或套磁环，并且不要用过粗的线；也可以使用同轴电缆.线路板上的2根驱动线的距离尽量靠近，回路越小越好.栅极电阻使用无感电阻.如果是有感电阻，可以用几个并联以减小电感。TVS选取：首先：计算下浪涌脉冲的功率PD,公式为PD=VBRXIPPXtP/T,各参数代表含义如下：-VBR：TVS二极管的击穿电压，-IPP:流经TVS二极管的浪涌电流•tp：流经TVS二极管的浪涌电流产生的时间-T：流经TVS二极管的浪涌电流的间隔时间一般原则是交流电压乘1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。直流电压则按1.1—1.2倍来选取TVS管的最大反向工作电压VRWM。则选取P6KE18CA为TVS二极管栅源电容CgeIGBT驱动栅射电容CGE的变化对IGBT模块开通过程的影响如图所示，IGBT开通时，栅极-发射极电容增加将会带来以下影响：开通延迟时间td减小di/dt减小dv/dt减小总的震荡减小了二极管反向恢复峰值电流Irr外部电容Cge可以控制高压IGBT的开通速度，有了Cge,开启过程的dv/dt和di/dt可以分开控制，即可以用更小的Rg电阻，以实现低的开关损耗和较低的开通di/dtMax(C2):24.58V,Max(C3):194A,Max(C4):379V

Z0O7/1G/10IO：H：43■;-]]ikNorra14qZOStlSzsSOOnM^CHI10:116,0由FivDCE^MHzCHZ1。：110.0U/divdczamzCH3ieee：ise.eW"DCEWfteZ0O7/1G/10IO：H：43■;-]]ikNorra14qZOStlSzsSOOnM^POSITION

'[^PosltTiinMax(C2):15.00V,Max(C3):150A,Max(C4):383VKOGAWA♦gPOSITION[^PosltTijnMax(C2):11.67V,Max(C3):115A,Max(C