对于 IGBT 的门极所需的驱动功率的大小计算,我们经常在拿到 IGBT 规格书的时候会根据其中的 Qg 或者输入电容
Ciss(Ciss=Cge+Cgc)做一个大致的计算,P=Qg*ΔVge*f 或者 P=Ciss*5*ΔVge²*f,今天我们就来聊聊 IGBT 驱动器驱动功率的计算。
 
关于 IGBT 的使用,我们在评估完 IGBT 本身特性参数的时候,可以最重要的就是驱动器的选择和设计了,此时我们经常会遇到,如 Datasheet 描述的参数不是太充分,驱动电阻应该如何选择(这个一般 IGBT 厂家都会有一个推荐值,在其附近选取,再根据实际情况进行调整)等等一些不确定因素或者问题,在这之前,我觉得对于一个驱动器的设计,最重要的因素还是其驱动功率,这一点达不到,其他因素都没有意义了。
 
1.
确定门极电荷 Qg 和门极电容   
对于设计一个驱动器来说,最重要的参数莫过于门极电荷 Qg 的大小,同时确定实际的门极输入电容 Cies 的大小,因为 Datasheet 中给到的输入电容大小一般是个参考值,确定实际门极输入电容是一重要意义的。
 
我们可以通过测量门极的充电过程来确定实际输入结电容 Cin 的大小。首先,在负载端没有输出电压的情况下,我们可以进行下面这样的计算:
 
门极电荷 Qg=∫idt=C*ΔV
 
确定了门极电荷 Qg 之后,我们可以通过门极充电过程中的门极电压上升过程,示波器可以测量出ΔV,那么利用公式可以计算出实际的门极输入电容
 
Cin=Qg/ΔV
 
这里的测得的实际输入结电容 Cin 在我们的设计中是具有很大意义的。
 
2.
关于 Ciss
在 IGBT 的 Datasheet 中,我们经常会看到一个参数 Ciss,在实际电路应用中,这个参数其实并不算一个很有用的参数,是因为它是通过电桥测得的,由于测量电压太小而不能达到门极的门槛电压,实际开关过程中的 miller 效应并没有能包涵在内。在测量电路中,一个 25V 的电压加在集电极上,在这种测量方法下测得的结电容要比 Vce=0 的时候要小一些,因此,规格书中的 Ciss 这个参数一般用于 IGBT 相互做对比时使用。
 
一般我们使用下面的经验公式根据规格书的 Ciss 来计算输入电容 Cin 的大小
 
Cin=5Ciss
 
3.
驱动功率的计算
接下来让我们看看应该如何来计算驱动功率。
 
在输入结电容中存储的能量可以通过如下公式计算:
 
W=1/2*Cin*ΔU²
 
其中,ΔU 是门极上上升的整个电压,比如在±15V 的驱动电压下,ΔU 就是 30V。
 
在每个周期,门极被充电两次,一个 IGBT 所需的驱动功率我们可以按下式计算:
 
P=f*Cin*ΔU²
 
如果门极电荷先前通过测量得到了,那么
 
P=f*Qg*ΔU
 
这个功率是每个 IGBT 驱动时所必须的,但门极的充放电时基本没有能量损失的,这个功率实际上损失在驱动电阻和外部电路中。当然,设计时还需要考虑其他方面的损耗,比如供电电源的损耗。
 
4.
驱动电流的计算
驱动器的最大输出电流必须大于等于实际所需要的门极驱动电流,计算公式如下:
 
Ig,max=ΔU/Rg,min
 
ΔU 是整个门极上升电压,而 Rg,min 是电路中选取的最小驱动电阻。
 
 
下面我们举个例子简单计算一下:
 
比如现有一个 200A 的 IGBT 模块,工作频率 8KHZ,门极电荷测量波形如下:
 
 
Qg 和ΔU 可以通过示波器测得:Qg=2150nC,ΔU=30V
 
那么门极电容 Cin=Qg/ΔU=71.6nF。
 
所需的驱动功率:
 
P=f*Qg*ΔU=8*2150*30=0.516W
 
如果 Rg=4.7Ω,那么驱动电流为:
 
Ig=ΔU/Rg=30/4.7=6.4A
 
所需驱动功率的大小,再结合其他设计因素,我们就可以参考设计出所需的驱动板。