IGBT的驱动是个很有意思的事情
调试的时候总是在权衡、取舍
调来调去也离不开它的底层逻辑,也就是原理
咱就根据这个底层逻辑
捋一捋具体的实现方法

驱动优化的目的
这一点非常重要,不明白优化目标,乱改一通,非常没有目的性;
看一看,作为一个电流的开关,咱要追求它的什么特性,简单罗列一下,有哪些
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举个例子,假如你就是想要抑制关断电压尖峰,那除了优化杂散电感外,就从关断di/dt上下手,至于怎么控制di/dt,别急,后边很详细
优化之后,再回过头来看有没有影响其它关键性能,或者其它关键性能可做多少取舍,如牺牲多少开关损耗之类。这样,调节的方向就很明确,鸡腿也越来越近
说白了,无论你准求什么目标,其实都是在控制di/dt和dv/dt

驱动的底层逻辑
这部分非常朴实无华且枯燥
但是看懂了,理解后边的方法会非常容易
首先,作为场控器件,IGBT的驱动是输入电容充放电的过程
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也就是给Cge\Cgc充放电
简单铺垫一下:
Cge和Coxd为氧化层电容,与栅极电压和集电极电压无关;
Cdep和Cce是IGBT开关暂态耗尽层空间电荷作用的结果,因此与Vce密切相关
Cgc=Cdep+Coxd又叫米勒电容
关键来了,以开通过程为例:
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t0-t1:开通延迟,驱动电流Ig,不断给Cge充电,由于Vce还没有下降,米勒电容的大小取决于Cdep(电容串联,容值取决于小的哪个,类似于电阻并联,Cdep的大小随Vce增大而减小)Cdep相对于Cge非常小,因此主要给Vge充电
t1-t2:Vge达到Vgeth,电流上升,由于di/dt和杂散电感的影响,Vce会有一个缺口;门极主要还是给Cge充电,道理同上,t2时刻由于反向恢复电流的峰值,Vge会出现一个小尖峰Vge pk
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gm是IGBT的跨导
t2-t3:米勒平台,二极管结束反向恢复,开始承受反向压降,IGBT的Vce迅速下降,此时Cdep变大,米勒电容变大,相对于Cge量级相当,于是开始给米勒电容充电,Vge不再上升,形成米勒平台
t3-t4:继续给Cge//Cgc充电,直至达到驱动电路的正偏置电压VCC,门极驱动电流呈指数衰减
总结:把过程分为四个部分,优化哪部分的参数,看该部分的特性就行
又来举例子,你要优化开通di/dt,那就瞄准t1-t2阶段,这段Vge受啥影响,驱动电流和Cge,逻辑就是这么简单

优化方法
说完原理就是实操了
这就是内功心法不变,招式千变万化,注意看,说不定你未来的专利就在这里头
如何控制di/dt和dv/dt?
控制di/dt、dv/dt——>控制Vge波形
Vge的影响因素有几个呢?列出来:
偏置电压VCC、驱动电阻R、二者决定驱动电流
栅极射极电容Cge和米勒电容Cgc
于是,改来改去无外乎更改上述几个参数,而且是变着花样改
总的来说,分为开环和闭环两种方式:

  • 开环:(改电阻、改输入电容、分级驱动、高频方波驱动)
  • 闭环:(闭环di/dt、dv/dt控制,有源嵌位、参考波形给定)

1、改电阻
工程上最直观最常用、通常理解增大关断电阻,可减小di/dt,因此降低关断电压尖峰,但增加关断损耗。
最新的沟槽栅场终止型IGBT,关断电压尖峰并非与驱动电阻成单纯线性关系,反而在比较小的范围内,电压尖峰随着驱动电阻的增大而增大
调试的朋友遇到这种诡异的问题不要奇怪啦

2、改电容
增加Cge降低di/dt,增加Cgc降低dv/dt,简单而直观,易实现
缺点:增加开关损耗,增大米勒电容增加直通风险

3、分级驱动
把关断分为不同阶段,每个阶段采用不同的
电阻、电流、电压
类似于下边这种,可变驱动电阻阵列,实现不同阶段可变驱动电阻:
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或者这种,分阶段采用不同的驱动电流或驱动电压
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(t0-t1驱动电流大点,减小开通延迟,t1-t2小点,增大di/dt,t2之后大点,缩短米勒平台)
目前车规级驱动芯片普遍使用的两级关断也是这个思想
优点:电路相对简单
缺点:控制离散化,不能精准控制

4、高频方波
由于开关损耗较大,汽车应用见不到,感兴趣的同学查阅论文

5、参考波形给定
第一类:给定Vge,使用前馈或者反馈的方式控制Vge的轨迹,类似于下图
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第二类:给定Vce,类似于下图
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第三类:给定di/dt、dv/dt
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看起来是不是很厉害,但是电路很复杂,时滞高,工程上的应用其实并不多
上图这么复杂是为了实现关断过程的分段控制,下图虚线前后分开,前边控制di/dt,后边控制dv/dt
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于是,这种方法的特点就是
优点:参考波形简单
缺点:电路复杂

6、有源嵌位法
想必大家非常熟悉,最常用,本质上是负反馈,Vce过压击穿TVS,使Vge拉升延缓关断速度
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优点:电路简单,响应迅速,应用广泛
缺点:TVS频繁动作会发热,影响寿命;TVS耐压限制IGBT阻断电压
因此,该方法应用时,尽量让它短时间工作

7、关断尖峰吸收电路
工业上应用很多,吸收电路本身的散热和占用的空间是个问题,它的原理也很简单,百度可得
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