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IGBT014-IGBT驱动功率计算

2021-1-31 14:51:05 显示全部楼层
IGBT——驱动功率计算

前言:对于IGBT的门极所需的驱动功率的大小计算,我们经常在拿到IGBT规格书的时候会根据其中的Qg或者输入电容Ciss(Ciss=Cge+Cgc)做一个大致的计算,P=Qg*ΔVge*f或者P=Ciss*5*ΔVge²*f。

关于IGBT的使用,我们在评估完IGBT本身特性参数的时候,可以最重要的就是驱动器的选择和设计了,此时我们经常会遇到,如Datasheet描述的参数不是太充分,驱动电阻应该如何选择(这个一般IGBT厂家都会有一个推荐值,在其附近选取,再根据实际情况进行调整)等等一些不确定因素或者问题,在这之前,我觉得对于一个驱动器的设计,最重要的因素还是其驱动功率,这一点达不到,其他因素都没有意义了。

1、确定门极电荷Qg和门极电容
对于设计一个驱动器来说,最重要的参数莫过于门极电荷Qg的大小,同时确定实际的门极输入电容Cies的大小,因为Datasheet中给到的输入电容大小一般是个参考值,确定实际门极输入电容是一重要意义的。
我们可以通过测量门极的充电过程来确定实际输入结电容Cin的大小。首先,在负载端没有输出电压的情况下,我们可以进行下面这样的计算:
门极电荷Qg=∫idt=C*ΔV
确定了门极电荷Qg之后,我们可以通过门极充电过程中的门极电压上升过程,示波器可以测量出ΔV,那么利用公式可以计算出实际的门极输入电容
Cin=Qg/ΔV
这里的测得的实际输入结电容Cin在我们的设计中是具有很大意义的。

2、关于Ciss
在IGBT的Datasheet中,我们经常会看到一个参数Ciss,在实际电路应用中,这个参数其实并不算一个很有用的参数,是因为它是通过电桥测得的,由于测量电压太小而不能达到门极的门槛电压,实际开关过程中的miller效应并没有能包涵在内。在测量电路中,一个25V的电压加在集电极上,在这种测量方法下测得的结电容要比Vce=0的时候要小一些,因此,规格书中的Ciss这个参数一般用于IGBT相互做对比时使用。
一般我们使用下面的经验公式根据规格书的Ciss来计算输入电容Cin的大小
Cin=5Ciss
3、驱动功率的计算
接下来让我们看看应该如何来计算驱动功率。
在输入结电容中存储的能量可以通过如下公式计算:
W=1/2*Cin*ΔU²
其中,ΔU是门极上上升的整个电压,比如在±15V的驱动电压下,ΔU就是30V。
在每个周期,门极被充电两次,一个IGBT所需的驱动功率我们可以按下式计算:
P=f*Cin*ΔU²
如果门极电荷先前通过测量得到了,那么
P=f*Qg*ΔU
这个功率是每个IGBT驱动时所必须的,但门极的充放电时基本没有能量损失的,这个功率实际上损失在驱动电阻和外部电路中。当然,设计时还需要考虑其他方面的损耗,比如供电电源的损耗。

4、驱动电流的计算
驱动器的最大输出电流必须大于等于实际所需要的门极驱动电流,计算公式如下:
Ig,max=ΔU/Rg,min
ΔU是整个门极上升电压,而Rg,min是电路中选取的最小驱动电阻。

下面我们举个例子简单计算一下:
比如现有一个200A的IGBT模块,工作频率8KHZ,门极电荷测量波形如下
微信图片_20210131144642.jpg
Qg和ΔU可以通过示波器测得:Qg=2150nC,ΔU=30V
那么门极电容Cin=Qg/ΔU=71.6nF。
所需的驱动功率:
P=f*Qg*ΔU=8*2150*30=0.516W
如果Rg=4.7Ω,那么驱动电流为:
Ig=ΔU/Rg=30/4.7=6.4A

所需驱动功率的大小,再结合其他设计因素,我们就可以参考设计出所需的驱动板。

本文已授作者前辈允许,来源于:https://mp.weixin.qq.com/s/L939i54PDECRJ0UO8XNtEA
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