基于电流反馈的IGBT有源栅极驱动方法研究

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1、基于电流反馈的IGBT有源栅极驱动方法研究IGBT(lnsulatedGateBipolarTransistor)制造工艺及集成工艺技术的日益成熟，其良好的开关特性被广泛运用在新能源开发及和能电网等领域。在IGBTH益高频化的运用中，开通与关断瞬间产生的电流过冲与电压过冲，严重影响着IGBT的可靠运行⑴。因此，控制IGBT开通时di/dt与关断时du/dt的大小成为研究的一个热点。近年来，对于IGBT开通与关断过程中的电流与电压过冲的抑制已有一定的研究基础。文献［2］提出了一种驱动脉冲边缘调制技术，这种方法加重

2、了DSP工作负担，不适用于高频化运用。文献［3］采用传统的增大栅极电阻及钳位电路方法抑制过高的di/dt和du/dt,这种方法引入了不容忽视的栅极电阻损耗。文献［4］给出了一种有源电流源IGBT门极闭环控制，这种调控方法的影响因子过多，不利于IGBT的稳定通断。本文提出了一种基于di/dt和du/dt反馈的IGBT栅极驱动方法，设置两个可调的参数a和参数B，调节反馈到栅极的电流实现对IGBT在开通时与关断时相对应的di/dt和di/dt的控制，实现对电流与电压过冲的抑制。提高系统的运行可靠性，延长器件使用寿命。

3、1IGBT的开关电路分析为了模拟IGBT开关行为的相关特性，有效的方法是采用双脉冲测试平台进行仿真和实验。半桥测试等效电路如图1所示，由于上管的IGBT处于常关断状态，因此可由一个快速恢复的二极管代替。为了保护IGBT,常采用带有反并联二极管的IGBT作为实验对象,IGBT在开通时，由于上管的二极管续流作用，该电流与发射极电流进行叠加，出现尖峰电流Icp，其值如式(1)所示。3人+伙普⑴其中J为发射极的理论电流(A),(4为反向二极管恢复电荷，d〃山为IGBT发射极电流变化速率。l(；BT在开通时的损耗为£仙)

4、，其值如式(2)所示。aw(

5、I(on)2'(血心(2)其中,(伽)为l(；BT开通时各个时间段的电流Mg为1(；BT开通时各个时间段的电压。由于导线布线和元器件等分布而存在分布电感，在几千赫兹频率下，这些小的电感对系统的稳定运行有很大影响，使得在IGBT关断时岀现尖峰电压"怦，如式(3)所示。〃忤二比+厶务(3)其中化为直流侧电压(V),La为主电路和引线电路电感之和,di/dt为IGBT集电极电流变化速率。l(；BT在关断时的损耗为£；祝血，如式(4)所示。氐(皿严工

6、2亦卩何)df(4)其屮，滋)

7、为IGBT关断时各个时间段的电流，vgro为关断时各个时间段的电压。i(on)>v(°n)与di/dt有关⑸，i(°ff)、v(°ff)与du/dt有关，因此，随着IGBT的di/dt与du/dt的减小，IGBT的损耗也随之减小。2IGBT开通时di/dt控制分析IGBT开通时di/dt控制模型如图2所示。在IGBT的发射极串联一个电感Le，在开通时，Le产牛一个正比于di/dt的超调电压ULo将这个反馈电压转化为可控的反馈电流反馈到栅极，调节电路中的参数a,实现对栅极电流的调控，从而控制开通时di/dt的变化

8、。2.1开通时控制电路及控制分析如图3所示，为实现将电压值转化为可调的电流值，控制电路采用电压控制的镜像电流源模块⑹。当电阻R1=R2=R5=R6,R3=R4时，R4±流过的电压与输入电压Ul相等。由于运放嘘短”和噓断特点，因此流入运放的电压为零，电阻FU上流过的电压与电阻Ro上流过的电压相等。这样控制电阻Ro的值，就得到町控的反馈电流值II，如式(5)所示。2.2开通时di/dt控制电路及控制分析由图4可知，在IGBT的发射级串联一个无源反馈电感Le，IGBT在开通时Le反馈一个负的电压值为Ul，如式(6)所

9、示。由式(5)和式(6)可知，反馈电流II值为正。Il不能直接加在栅极，以免对栅极电流造成冲击，因此需要引入一个由Q5、Q6组成的镜像电路,将流过Q6的电流镜像到流过Q5的电路上反馈到栅极。这样，实现了对IGBT开通时栅极电流的调控，IGBT开通时di/dt得到控制，如式(7)所示。其中，gm是开关器件的跨导(A/V),Vt是栅极阈值电压(V),Rg是栅极电阻(Q),Il是发射级流过的电流(A),Cgc是开关器件栅极■集电极之间的电容(F),Cge是开关器件栅极•发射极间的电容(F),Vs是栅极开通驱动电压，取

10、+15Vo3IGBT关断时du/dt控制分析IG盯关断时du/dt控制模型如图5所示。在IGBT的集电极并联一个电容Cq,在IGBT关断时，电容Cq开始放电，产生一个正比于du/dt的超调电流与栅极电流相加。通过调节电路中的参数，实现对栅极电流的调控，从而调节IGBT关断时的du/dt的变化。3.1关断时控制电路及控制分析如图6所示，为了将电流值Iq变成一个可调的电流值，控制电路采用电