如何確定驅(qū)動(dòng)芯片電流是否可以驅(qū)動(dòng)特定型號(hào)的IGBT？

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)包括上下橋絕緣水平的選擇、驅(qū)動(dòng)電壓水平的確定、驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)功率的確定、短路保護(hù)電路等等。今天我們重點(diǎn)討論一下驅(qū)動(dòng)電流以及功率的確定，也就是說(shuō)如何確定一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片電流能力是不是可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)特定型號(hào)的IGBT，如果不能驅(qū)動(dòng)該如何增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)輸出能力。

1、驅(qū)動(dòng)芯片峰值電流的計(jì)算

在選擇IGBT驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，很重要的一步就是計(jì)算IGBT所需要的最大驅(qū)動(dòng)電流，在不考慮門(mén)極增加Cge電容的條件下，可以把IGBT驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化為一個(gè)RLC電路，如下圖陰影部分所示。

求解這個(gè)電路可以得到峰值電路的關(guān)系式如下：

Ipeak：驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)可以輸出的最大電流

ΔUge：門(mén)極電源最大值減去最小值

RG,ext：外部門(mén)極電阻值，RG,int為器件內(nèi)部的電阻值

從上面公式可以看出最大驅(qū)動(dòng)電流取決于門(mén)極電壓水平，以及門(mén)極電阻值，一旦這兩個(gè)參數(shù)確定后，所需要的最大驅(qū)動(dòng)電流基本確定。當(dāng)然，在一些設(shè)計(jì)中會(huì)選用不同的開(kāi)通關(guān)斷電阻，那么就需要分別計(jì)算開(kāi)通關(guān)斷需要的電流。依據(jù)上述計(jì)算的開(kāi)通關(guān)斷電流值可以初步選擇芯片的驅(qū)動(dòng)電流，芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的峰值不能小于計(jì)算得到的電流值，并且適當(dāng)考慮工程余量。

2、推挽電路放大電路增加驅(qū)動(dòng)電流

如果驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電流不能驅(qū)動(dòng)特定IGBT的話，比較簡(jiǎn)單的方法是采用推挽電路進(jìn)一步增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)芯片的峰值電流輸出能力。采用三極管放大是一種常用的方式，其計(jì)算步驟如下：

（1）根據(jù)選擇的驅(qū)動(dòng)電壓水平以及門(mén)極電阻計(jì)算得到需求的最大峰值電流Ipeak

（2）選擇合適耐壓的PNP/NPN三極管組成推挽電路

（3）查所選擇的三極管數(shù)據(jù)手冊(cè)中的電流傳輸系數(shù)hFE，計(jì)算得到三極管的基極電流

（4）計(jì)算驅(qū)動(dòng)芯片輸出極的輸出電阻

上述步驟給出了BJT作為推挽放大電路時(shí)一般的步驟，需要著重考慮的是BJT的耐壓以及基級(jí)電阻的匹配。由于使用BJT做推挽放大設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，因此在設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。在大功率應(yīng)用場(chǎng)合比較常用的BJT三極管型號(hào)有MJD44/45H11(80V)等。

需要指出的是，在推挽電路設(shè)計(jì)中，與BJT相比MOSFET有自身的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為功率密度更大，BJT通常是D-PAK的封裝，而MOSFET通常是SO8封裝；另外MOSFET需要更小的控制電流，開(kāi)關(guān)速度較快，比較適用于FPGA的數(shù)字控制以及多電平軟關(guān)斷。但是在使用MOSFET做推挽設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是下橋n溝道MOSFET的門(mén)極電壓與電源電壓的匹配問(wèn)題，為此需要在門(mén)極增加穩(wěn)壓二極管。在大功率場(chǎng)合MOSFET IRF7343(-55/+60V)是比較常用的器件以及耐壓與性能比較接近的器件。

3、驅(qū)動(dòng)平均功率計(jì)算

在驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)中，除了驅(qū)動(dòng)的峰值電流外，電流的有效值也是需要關(guān)注的重要參數(shù)之一。前者決定是否能有效地驅(qū)動(dòng)特定型號(hào)的IGBT,后者決定其發(fā)熱或者溫升是否能滿足設(shè)計(jì)要求。下圖給出的是FF1200R17KE3門(mén)極電流電壓的測(cè)試波形。測(cè)試的配置如下：

Rg,on=1.3ohm

Rg,off=1.4ohm

Vge=+/-15v

依據(jù)上述公式可以計(jì)算得到Ipeak=7.66A，測(cè)試值與計(jì)算值基本接近。

查器件FF1200R17KE3的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知Qg=14uc，Rgint=1.6ohm。

把門(mén)極的電流波形近視為三角波，三角波的持續(xù)時(shí)間可以用下面公式簡(jiǎn)化計(jì)算

設(shè)器件的開(kāi)關(guān)頻率為2.5kHz，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間T=400us,驅(qū)動(dòng)電流的有效值可以用下面的式子計(jì)算得到

依據(jù)該電流值查推挽輸出三極管的特性曲線得到三極管的損耗，用于計(jì)算三極管的溫升是否滿足運(yùn)行要求。

4、小結(jié)

本文簡(jiǎn)要介紹了IGBT驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)中門(mén)極峰值電流的計(jì)算以及使用三極管推挽輸出環(huán)節(jié)的一般計(jì)算過(guò)程，最后結(jié)合實(shí)際應(yīng)用考慮三極管的發(fā)熱溫升。

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