一种电流源型驱动在高功率密度IGBT5中的应用

摘要

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）器件的不断发展也推动着IGBT驱动技术的发展。为了减小高功率密度IGTB开通损耗以及优化电流变化率di/dt，文中使用英飞凌公司生产的一款具有转换速率控制功能的电流源型IGBT驱动芯片：1EDS20I12SV设计出驱动电路，在IGBT开通时提供11种栅极电流以供选择。通过双脉冲实验平台进行测试，将结果与传统的电压源型驱动测试的结果进行对比、分析，从而验证该电流源型驱动在减小开通损耗和优化电流变化率di/dt方面的优势，为驱动电路的研究与设计提供参考。

引言

近些年来，IGBT器件得到不断的发展，在光伏发电、风力发电、工业控制、牵引传动等领域得到广泛的应用。在轨道交通以及智能电网领域，一般采用3300V及以上电压等级的IGBT模块，并且对IGBT的功率密度和可靠性提出了更高的要求[1]。英飞凌公司生产的最新一代IGBT5在PrimePACK™原有封装尺寸不变的情况下，电流输出能力提升了25％-33％[2]。随着IGBT功率密度的提升，IGBT在开关过程中产生开关损耗以及电流变化率di/dt问题将会更加严重。开关损耗会导致IGBT的温度上升，如果超出器件的工作温度上限，则会使IGBT减少寿命甚至失效。产生的热量一方面通过散热系统进行降温，另一方面是使用合适的驱动减小开关损耗；而较大的di/dt会使器件超出安全工作区限值，会对IGBT以及周围器件产生永久性的破坏，给系统的正常运行造成很大的影响。因此使用合适的IGBT驱动来降低开关损耗和抑制di/dt对于高功率密度IGBT的广泛应用将会产生更深远的意义。

目前，市场上主流的一些IGBT驱动器仍采用传统的电阻控制型驱动技术，即给定恒定的栅极电压并且在栅极电阻不变的情况下开通和关断IGBT[3]。这种方法灵活性较差，在开通和关断过程都是统一控制，开关损耗很大，其可靠性和电磁兼容性等指标也很难达到高功率密度IGBT对驱动的要求。因此各家驱动器厂商在积极尝试新型驱动，将IGBT的开关过程分为几个不同的阶段分别控制，提高了灵活性和主动性，确保高功率密度IGBT工作在安全区的情况下，最大程度地减小了开关损耗，提高了效率和可靠性，使得高功率密度IGBT更好地被应用[4]。Inpower公司在IGBT开通和关断时分别配置7个不同的栅极电阻进行实时动态调节；Amantys公司正在研发的Adaptive Drive驱动技术，通过实时地采样di/dt，dv/dt然后对栅极电流进行调节[4]。

为了降低高功率密度IGBT开通损耗，本文使用1EDS-SRC(1EDS20I12SV of Infineon)电流源型驱动芯片设计一种带有转换速率控制的驱动，将开通过程分为三段进行控制，提高了灵活性和主动性，并且在中间阶段有11档栅极电流可以实时调控，根据负载电流的不同的而实时改变栅极电流，有效地降低开通损耗，减小电磁干扰问题。相对于可变栅极电阻的电压型驱动，此款驱动芯片组成的驱动电路不需要额外的多个栅极电阻进行配置，简化了驱动电路，提高了可靠性。文中首先对转换速率控制IGBT开通过程的三阶段以及11种栅极电流的选择作详细的分析，然后简要的介绍实验平台以及高功率密度IGBT模块，最后通过对比测试结果验证所设计的电流源型驱动在减小开通损耗方面的优势。

转换速率控制IGBT开通方法实现原理

1、实现原理

驱动芯片1EDS20I12SV中应用了转换速率控制方法，在IGBT开通过程的不同阶段使用不同大小的栅极电流，灵活控制开通速度。这种方法将IGBT整个开通过程分为三个阶段：预升压(preboost)阶段、开通(turn-on)阶段和VCC2嵌位(VCC2 clamping)阶段，如图1所示。t0-t1阶段为预升压阶段，在这个阶段中使用较大的电流为栅极－发射极电容充电，使栅极电压在135ns内从负值上升到略低于IGBT开通的栅极阈值电压，即Vge < Vge(th)，其中IPRB电流值的大小是根据不同的IGBT模块进行适当的计算和调整，从而到达最佳匹配状态；t1-t3阶段为栅极开通阶段，在此阶段，栅极电流有11种档位可供选择，如图2所示。其中第1档到第10档可以使用精确的斜率控制[5]，即输入的选择电压与输出的栅极电流成比例关系，易于控制。而在此阶段，栅极电压也是要经过密勒平台（开通损耗主要发生在密勒平台期间）。因此，根据IGBT开通时的电流不同，可以选择十一种等级的其中之一，使得栅极电压处于密勒平台的时间较短，同时开通电流不发生振荡，从而降低了开通损耗，同时也可以抑制di/dt，减小EMI问题；t3时刻后，便进入VCC2嵌位阶段，栅极电流逐渐减小至零，栅极电容充满电，IGBT完全导通。

图1. 开通过程三阶段

图2. 11档栅极电流实测图

2、栅极电流档位选择

在IGBT开通过程中有两个比较值得关注的性能指标：一个是开通损耗，另一个是桥臂的电流变化率di/dt。此款芯片构成的驱动电路在IGBT开通过程中有11档栅极电流以供选择，在IGBT开通时的电流即负载电流不同的情况下，选择不同的档位对与开通损耗和电流变化率di/dt的影响大不相同，选择栅极电流小的档位会使得di/dt相应地减小，开通特性就会变软，同时二极管的反向恢复电流变化率也会变小，二极管的所受的应力降低；但另一方面，开通损耗却在迅速增大，达到3-4倍之多。所以在选择栅极电流档位的时候，要综合考虑开通损耗与开通di/dt之间的关系，寻求一个最合适的档位，使得开通电流不出现明显振荡的情况下，尽量地减小开通损耗[6]。

实验平台

本实验测试平台主要由一下几个部分构成：FF1200R12IE5高功率IGBT半桥模块、1ED-SRC驱动板（电流源型）、1ED020I12驱动板（电压源型）、双脉冲信号发生器、15V直流电源、高压直流电源、直流母线系统、负载电抗器以及示波器，如图3所示。

图3. 实验平台

其中FF1200R12IE5是英飞凌公司新推出的一款高功率密度IGBT模块，如图4所示。电压等级1200V，电流等级1200A。IGBT5本身具有高工作结温的特点，可以达到175℃。为了充分发挥其高工作结温特点，新一代PrimePACK™2封装结合最新的.XT技术和新的设计方法，在保持上一代封装尺寸的基础上使得模块电流输出能力提升了33％。因此本实验选用此高功率密度IGBT模块，分别使用两种驱动对其开通过程进行测试。

图4. 高功率密度IGBT模块

开通过程测试结果与分析

本测试实验是在IGBT开通电流即负载电流分别为100A、300A、600A、900A和1200A进行的，从小电流到大电流覆盖IGBT的整个工作电流区间，并且在这些电流值下研究不同栅极电阻和栅极电流所产生的影响。

1、1ED020I12驱动板测试结果

电压源型驱动板需要在不同的栅极电阻之间切换来测试IGBT开通过程，通过筛选出合适的栅极电阻然后再与电流源型驱动板测试结果比较。本次测试使用的栅极电阻分别为0.5Ω、0.8Ω、1.6Ω和2.2Ω。

从上图可以很明显地看出，随着负载电流的增大，IGBT开通损耗和电流变化率di/dt都在增大。但是在具体某个负载电流值下IGBT开通时，随着栅极电阻的增大，开通损耗很明显地在迅速增大，而电流变化率di/dt在逐步减小，这就为栅极电阻的选择提供一个参考，不能太大或太小。同时也要考虑到IGBT开通时二极管反向恢复电流不能有明显的振荡，通过观察开通波形图进行比较，最后选择的栅极电阻大小为1.6Ω欧姆，使用此栅极电阻测试的结果将于与电流源型驱动板测试的结果对比，其数据如表1所示。

2、1ED-SRC驱动板测试结果

高档位对应大的栅极电流，低档位对应小的栅极电流。由图6也可以看出随着档位的提高，开通损耗能迅速降低，尤其在负载电流较大时降低的更加明显。与此同时，电流变化率di/dt也在增大，负载电流大于600A时电流变化率增大的斜率没有负载电流小于600A时的高。在不同的负载电流下，对栅极电流的档位选择已在1.2节说明，选用的档位以及数据如表2所示。

3、结果对比分析

由表1和表2可以作出开关损耗和电流变化率di/dt的比较曲线图，如图7所示。

通过图7和表3可以很清楚地看得使用该电流源型驱动在减小开通损耗方面的优势。随着负载电流的增大，损耗减小的程度也在扩大，负载电流为300A时，开通损耗减小了21.87%，而负载电流到1200A时则可以减小57.25%的开通损耗，减小开通损耗效果十分明显。而电流变化率di/dt也不可避免的比电压源型驱动的大一些，但是开通电流并没有发生振荡，是在可控范围之内。

结论

在本文中，为了降低高功率密度IGBT的开通损耗而设计了一种具有转换速率控制的电流源型驱动。使用转换速率控制11种栅极电流的方法可以很大程度上改善高功率密度IGBT开通时的表现。相比于电压型驱动，在开通过程中电流没有出现振荡的情况下，能够大大减小开通损耗，这对高功率密度IGBT持续工作在大电流模式下有了保障；同时驱动电路也会更加简单，对系统可靠性的提高有着突出的贡献。因此，这种电流源型驱动对高功率密度IGBT的广泛应用将会起到很大作用。

参考文献

[1] 刘国友, 覃荣震, 黄建伟,等. 高功率密度IGBT模块的研发与特性分析[J]. 机车电传动, 2014(2):6-11.

[2] 赵振波, Wilhelm Rusche, Andre R.Stegner. 新一代封装PrimePACK~(TM)3+提升IGBT5模块性能[J]. 大功率变流技术, 2016(1):26-29.

[3] Lobsiger Y, Kolar J. Closed-Loop di/dt and dv/dt IGBT Gate Driver[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(6):3402-3417.

[4] 焦明亮, 李云, 朱世武,等. IGBT门极驱动技术现状和发展趋势[J]. 大功率变流技术, 2015(2):18-23.

[5] Frank W. Slew rate control of discrete IGBT and CoolMOS reaches targets far beyond the gate resistor regime[C]// PCIM Europe 2015; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management; Proceedings of. VDE, 2015.

[6] 郑姿清, 周益铮. 驱动参数对IGBT开关性能的影响[J]. Ups应用, 2016(2):57-61.

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