0 引言

    隨著IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)制造工藝及集成工藝技術(shù)的日益成熟，其良好的開(kāi)關(guān)特性被廣泛運(yùn)用在新能源開(kāi)發(fā)及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。在IGBT日益高頻化的運(yùn)用中，開(kāi)通與關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的電流過(guò)沖與電壓過(guò)沖，嚴(yán)重影響著IGBT的可靠運(yùn)行^[1]。因此，控制IGBT開(kāi)通時(shí)di/dt與關(guān)斷時(shí)du/dt的大小成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

    近年來(lái)，對(duì)于IGBT開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中的電流與電壓過(guò)沖的抑制已有一定的研究基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[2]提出了一種驅(qū)動(dòng)脈沖邊緣調(diào)制技術(shù)，這種方法加重了DSP工作負(fù)擔(dān)，不適用于高頻化運(yùn)用。文獻(xiàn)[3]采用傳統(tǒng)的增大柵極電阻及鉗位電路方法抑制過(guò)高的di/dt和du/dt，這種方法引入了不容忽視的柵極電阻損耗。文獻(xiàn)[4]給出了一種有源電流源IGBT門極閉環(huán)控制，這種調(diào)控方法的影響因子過(guò)多，不利于IGBT的穩(wěn)定通斷。本文提出了一種基于di/dt和du/dt反饋的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)方法，設(shè)置兩個(gè)可調(diào)的參數(shù)α和參數(shù)β，調(diào)節(jié)反饋到柵極的電流實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT在開(kāi)通時(shí)與關(guān)斷時(shí)相對(duì)應(yīng)的di/dt和di/dt的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流與電壓過(guò)沖的抑制。提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，延長(zhǎng)器件使用壽命。

1 IGBT的開(kāi)關(guān)電路分析

    為了模擬IGBT開(kāi)關(guān)行為的相關(guān)特性，有效的方法是采用雙脈沖測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)。半橋測(cè)試等效電路如圖1所示，由于上管的IGBT處于常關(guān)斷狀態(tài)，因此可由一個(gè)快速恢復(fù)的二極管代替。

    為了保護(hù)IGBT，常采用帶有反并聯(lián)二極管的IGBT作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，IGBT在開(kāi)通時(shí)，由于上管的二極管續(xù)流作用，該電流與發(fā)射極電流進(jìn)行疊加，出現(xiàn)尖峰電流I_cp，其值如式(1)所示。

其中，i_(off)為IGBT關(guān)斷時(shí)各個(gè)時(shí)間段的電流，v_(off)為關(guān)斷時(shí)各個(gè)時(shí)間段的電壓。

    i_(on)、v_(on)與di/dt有關(guān)^[5]，i_(off)、v_(off)與du/dt有關(guān)，因此，隨著IGBT的di/dt與du/dt的減小，IGBT的損耗也隨之減小。

2 IGBT開(kāi)通時(shí)di/dt控制分析

    IGBT開(kāi)通時(shí)di/dt控制模型如圖2所示。

    在IGBT的發(fā)射極串聯(lián)一個(gè)電感L_E，在開(kāi)通時(shí)，L_E產(chǎn)生一個(gè)正比于di/dt的超調(diào)電壓U_L。將這個(gè)反饋電壓轉(zhuǎn)化為可控的反饋電流反饋到柵極，調(diào)節(jié)電路中的參數(shù)α，實(shí)現(xiàn)對(duì)柵極電流的調(diào)控，從而控制開(kāi)通時(shí)di/dt的變化。

2.1 開(kāi)通時(shí)控制電路及控制分析

    如圖3所示，為實(shí)現(xiàn)將電壓值轉(zhuǎn)化為可調(diào)的電流值，控制電路采用電壓控制的鏡像電流源模塊^[6]。當(dāng)電阻R₁=R₂=R₅=R₆，R₃=R₄時(shí)，R₄上流過(guò)的電壓與輸入電壓U_L相等。由于運(yùn)放“虛短”和“虛斷”特點(diǎn)，因此流入運(yùn)放的電壓為零，電阻R₄上流過(guò)的電壓與電阻R₀上流過(guò)的電壓相等。這樣控制電阻R₀的值，就得到可控的反饋電流值I_L，如式(5)所示。

2.2 開(kāi)通時(shí)di/dt控制電路及控制分析

    由圖4可知，在IGBT的發(fā)射級(jí)串聯(lián)一個(gè)無(wú)源反饋電感L_E，IGBT在開(kāi)通時(shí)L_E反饋一個(gè)負(fù)的電壓值為U_L，如式(6)所示。

由式(5)和式(6)可知，反饋電流I_L值為正。I_L不能直接加在柵極，以免對(duì)柵極電流造成沖擊，因此需要引入一個(gè)由Q5、Q6組成的鏡像電路，將流過(guò)Q6的電流鏡像到流過(guò)Q5的電路上反饋到柵極。這樣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT開(kāi)通時(shí)柵極電流的調(diào)控，IGBT開(kāi)通時(shí)di/dt得到控制，如式(7)所示。

其中，g_m是開(kāi)關(guān)器件的跨導(dǎo)(A/V)，V_T是柵極閾值電壓(V)，R_g是柵極電阻(Ω)，I_L是發(fā)射級(jí)流過(guò)的電流(A)，C_gc是開(kāi)關(guān)器件柵極-集電極之間的電容(F)，C_ge是開(kāi)關(guān)器件柵極-發(fā)射極間的電容(F)，V_cc是柵極開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電壓，取+15 V。

3 IGBT關(guān)斷時(shí)du/dt控制分析

    IGBT關(guān)斷時(shí)du/dt控制模型如圖5所示。

    在IGBT的集電極并聯(lián)一個(gè)電容C_Q，在IGBT關(guān)斷時(shí)，電容C_Q開(kāi)始放電，產(chǎn)生一個(gè)正比于du/dt的超調(diào)電流與柵極電流相加。通過(guò)調(diào)節(jié)電路中的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柵極電流的調(diào)控，從而調(diào)節(jié)IGBT關(guān)斷時(shí)的du/dt的變化。

3.1 關(guān)斷時(shí)控制電路及控制分析

    如圖6所示，為了將電流值I_Q變成一個(gè)可調(diào)的電流值，控制電路采用電流控制的鏡像電流源電路。當(dāng)輸入電流為I_Q時(shí)，由于運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”特性，流入運(yùn)放電流為零，電流全部流過(guò)電阻R₁。又由U_i=U_o，這樣控制電阻R₂的值，就可以得到可控的電流值I_o，如式(8)所示。

3.2 關(guān)斷時(shí)du/dt控制電路及控制分析

    由圖7可知，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，C_Q開(kāi)始放電，放電電流為2I_Q，通過(guò)Q1、Q2組成的鏡像電路將電流均分為兩路電流值都為I_Q的電流，2I_Q電流值如式(9)所示。

    由式（8）可知，通過(guò)兩次的電流源控制的鏡像電流源，將電流轉(zhuǎn)換為βI_Q。設(shè)置參數(shù)β時(shí)，應(yīng)滿足β<1，防止電容C_Q的無(wú)功補(bǔ)償。同理，后級(jí)電路經(jīng)過(guò)Q3、Q4組成的鏡像電路，將流過(guò)Q3的電流?茁IQ鏡像到流過(guò)Q4上，Q1與Q4的電流疊加為(1-β)I_Q，進(jìn)而反饋到柵極，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)斷時(shí)柵極電流的調(diào)控，IGBT關(guān)斷時(shí)du/dt得到控制，如式(10)所示。

其中，V_EE是柵極關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓(V)，取-15 V。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真分析

    在Saber軟件中搭建IGBT雙脈沖測(cè)試電路進(jìn)行仿真，IGBT型號(hào)選用IR公司生產(chǎn)的IRGPC50s；開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz；L_S電感值設(shè)定為3 μH；反饋電感值選擇10 nH；反饋電容值選擇20 pF；調(diào)節(jié)α值為2:1，3:1，4:1，β值為1:2，1:3，1:4時(shí)所對(duì)應(yīng)的開(kāi)通di/dt和關(guān)斷du/dt的仿真波形如圖8所示。

    從圖8(a)和圖8(b)仿真波形可知，隨著參數(shù)α的增大，對(duì)應(yīng)IGBT開(kāi)通時(shí)的di/dt隨之變小。隨著參數(shù)β的變小，對(duì)應(yīng)IGBT關(guān)斷時(shí)的du/dt隨之減小。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

    為了驗(yàn)證理論分析及仿真的正確性，搭建了雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：IGBT型號(hào)為Hgtg20n120cn；開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz；L_S電感值為1 μH；反饋電感值選擇10 nH，反饋電容值選擇20 pF。調(diào)節(jié)α值為2:1，3:1，4:1和β值為1:2，1:3，1:4時(shí)所對(duì)應(yīng)的開(kāi)通di/dt和關(guān)斷du/dt的實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。

    圖9(a)和圖9(b)分別為IGBT開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)di/dt和du/dt對(duì)應(yīng)的波形，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，隨著參數(shù)α的增大，對(duì)應(yīng)IGBT開(kāi)通時(shí)的di/dt隨之減小。隨著參數(shù)β的變小，對(duì)應(yīng)IGBT關(guān)斷時(shí)的du/dt隨之減小。

    在500 V/50 A實(shí)驗(yàn)條件下，表1給出了IGBT在開(kāi)通時(shí)不同的參數(shù)α對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。表2給出了IGBT在關(guān)斷時(shí)不同的參數(shù)β對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

    由表1和表2可知，隨著參數(shù)α的增大，對(duì)應(yīng)IGBT開(kāi)通時(shí)的I_rr隨之減小，開(kāi)通時(shí)間增加，開(kāi)通時(shí)的損耗減小。隨著參數(shù)β的變小，對(duì)應(yīng)IGBT關(guān)斷時(shí)的V_os隨之變小，關(guān)斷時(shí)間增加，關(guān)斷時(shí)的損耗變小。

5 結(jié)論

    本文提出的驅(qū)動(dòng)控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)IGBT開(kāi)通di/dt與關(guān)斷du/dt的控制。通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)α能有效調(diào)節(jié)IGBT開(kāi)通時(shí)di/dt的變化，調(diào)節(jié)參數(shù)β能有效調(diào)節(jié)IGBT關(guān)斷時(shí)du/dt的變化，從而抑制IGBT開(kāi)通時(shí)電流過(guò)沖和關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓損壞，有效抑制開(kāi)關(guān)管的誤導(dǎo)通。同時(shí)減小了IGBT開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)的損耗，有利于提高IGBT的運(yùn)行可靠性，延長(zhǎng)器件使用壽命。

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作者信息:

杜  祥1，2，陳  權(quán)1，3，王群京2，3，許杭蓬1，2

(1.安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥230601；

2. 安徽大學(xué) 高節(jié)能電機(jī)及控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230601；

3. 安徽大學(xué) 教育部電能質(zhì)量工程研究中心，安徽 合肥230601)