電流源型驅(qū)動在高功率密度IGBT5中的應(yīng)用研究

秦海洋，鄭姿清，趙振波，王天真，李佳旭

（1.上海海事大學物流工程學院，上海200120；2.英飛凌科技（中國）有限公司，上海200120；3.國家電網(wǎng)鞍山供電公司，鞍山114000）

近些年來，IGBT器件得到不斷發(fā)展，在光伏發(fā)電、風力發(fā)電、工業(yè)控制和牽引傳動等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，且系統(tǒng)容量和功率密度的不斷提升對IGBT的功率密度和可靠性以及損耗的降低提出了更高的要求[1]。最新一代IGBT5在PrimePACKTM封裝下保持原有尺寸不變，電流輸出能力提升了25%～33%[2]，功率密度也得到了提升。而隨著IGBT功率密度的提升，IGBT在開關(guān)過程中產(chǎn)生開關(guān)損耗以及電流變化率di/dt問題將會更加嚴重。開關(guān)損耗會導致IGBT的溫度上升，如果超出器件的工作溫度上限，則會使IGBT壽命減少甚至失效；而較大的di/dt會使器件超出安全工作區(qū)限值，會對IGBT以及周圍器件產(chǎn)生永久性的破壞，給系統(tǒng)的正常運行造成很大的影響。因此使用合適的IGBT驅(qū)動來降低開關(guān)損耗和抑制di/dt對于高功率密度IGBT的廣泛應(yīng)用將會產(chǎn)生更深遠的意義。

目前，一些主流的IGBT驅(qū)動仍采用傳統(tǒng)的電壓源型驅(qū)動技術(shù)，即：給定恒定的柵極電壓，在柵極電阻不變的情況下開通和關(guān)斷IGBT[3]。這種方法靈活性較差，在開通和關(guān)斷過程都是統(tǒng)一控制，開關(guān)損耗較大，其可靠性和電磁兼容性等指標也很難達到高功率密度IGBT對驅(qū)動的要求。因此研究人員在積極嘗試新型驅(qū)動，將IGBT的開關(guān)過程分為幾個不同的階段分別控制，提高了靈活性和主動性，這也是開環(huán)控制型驅(qū)動的基本思想[4]。文獻[5]中使用不同的柵極電阻對IGBT開關(guān)過程進行主動的控制，同樣在IGBT開關(guān)過程中提供給柵極的可變的電壓、電流也可以控制其開關(guān)過程[6～7]，這些方法確實可以對IGBT開關(guān)過程進行優(yōu)化，減小損耗并對di/dt、dv/dt進行有效地控制?？紤]到IGBT的非線性特征，即受到負載以及溫度條件變化時其特性也會發(fā)生改變，閉環(huán)控制型的驅(qū)動也相繼被研究，即在開關(guān)過程中實時檢測di/dt和dv/dt，并進行反饋控制，文獻[8]對開通過程中的di/dt反饋控制，可以減小開通時的電流尖峰。瑞士電力電子系統(tǒng)實驗室（PESL）提出的閉環(huán)di/dt和dv/dt控制IGBT驅(qū)動電路由主控環(huán)和輔助控制環(huán)構(gòu)成[3]。主控環(huán)用來控制di/dt和dv/dt，輔助控制環(huán)用來減小開關(guān)延遲時間。這種雙環(huán)路的設(shè)計可以實現(xiàn)di/dt獨立控制，同時有效降低開關(guān)損耗，為傳統(tǒng)阻控型驅(qū)動電路的一半。但是這種方法的復雜程度也是最大，實現(xiàn)的難度也比較大，集成度很低，目前僅在實驗室研究階段，還沒有開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。

為了降低高功率密度IGBT開通損耗，本文使用 1EDS-SRC（1EDS20I12SV of Infineon）驅(qū)動芯片設(shè)計一種電流源型驅(qū)動，具有轉(zhuǎn)換速率控制功能。將開通過程分為3個階段進行控制，并且在中間開通階段有11檔柵極電流可以調(diào)控，根據(jù)負載電流的不同而實時改變柵極電流，對于負載電流較大時使用柵極電流大的檔位有效地降低開通損耗；在負載電流較小時，使用柵極電流小的檔位降低開通速度，抑制了電流振蕩現(xiàn)象，減小電磁干擾問題。相對于可變柵極電阻的電壓型驅(qū)動，該電流源型驅(qū)動不需要額外的多個柵極電阻進行配置，簡化了驅(qū)動電路，具有很高的集成度，對于提高系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。文中首先對轉(zhuǎn)換速率控制IGBT開通過程的3階段以及11種柵極電流的選擇做詳細分析，然后簡要介紹實驗平臺以及高功率密度IGBT模塊，最后通過對比測試結(jié)果驗證所設(shè)計的電流源型驅(qū)動在減小開通損耗方面的優(yōu)勢。

1 基本的驅(qū)動方法

1.1 電壓源型驅(qū)動

基本的電壓源型驅(qū)動方法示意如圖1所示。當控制器給出高電平信號時，S2閉合，S1斷開，正向電壓U2加在柵極回路上，此時IGBT開通；當控制器給出低電平信號時，S1閉合，S2斷開，為負向電壓或零電壓加在柵極回路上，此時IGBT關(guān)斷。串聯(lián)的二極管是為了將開通柵極電阻和關(guān)斷柵極電阻分開，使得IGBT的開通特性和關(guān)斷特性分開調(diào)控，最大程度上得到優(yōu)化。通過調(diào)節(jié)柵極電阻來改變柵極電流，控制IGBT的開關(guān)特性[9]。小的柵極電阻會產(chǎn)生大的柵極電流，這樣會加速IGBT的開通和關(guān)斷，其開關(guān)損耗就會降低，但是電流變化率和電壓變化率會提升，從而在開關(guān)過程中會導致產(chǎn)生過壓、過流使得IGBT、二極管承受的應(yīng)力較大，另外電磁干擾也會影響周期其他設(shè)備的正常工作。而且，在系統(tǒng)工作時，負載電流會發(fā)生變換，由小電流變成大電流。IGBT在小電流和大電流下開通特性是不一樣的，小電流大，如果柵極電流較大，則容易引起開通電流的振蕩，其危害是顯而易見的；而在大電流下開通，相對而言大一點的柵極電流不會引起振蕩。所以通常為了考慮到小電流開通時電流不發(fā)生振蕩，則會使用相對大一點的柵極電阻。但是大一點的柵極電阻在大電流開通下會使得IGBT產(chǎn)生的損耗較大，這個矛盾在電壓源型驅(qū)動中不能很好地解決。

圖1 電壓源型驅(qū)動方法示意Fig.1 Schematic of voltage source drive method

1.2 電流源型驅(qū)動

基本的電流源型驅(qū)動方法示意如圖2所示。電流源型驅(qū)動方法是通過驅(qū)動輸出可變的柵極電流給柵極-發(fā)射極電容充電和放電，從而控制IGBT的開通和關(guān)斷。因為柵極電流是可變的，在系統(tǒng)負載電流變化時，電流源型驅(qū)動更能體現(xiàn)出優(yōu)勢。由上述分析，在大電流下開通使用較大的柵極電流，可以很大程度上減小損耗，而在小電流下開通時使用較小的柵極電流減慢IGBT開通過程，避免振蕩的發(fā)生，這樣可以使得負載周期內(nèi)總的功率損耗下降，對于高功率密度IGBT的長期運行，提高了可靠性，壽命也會增加。

圖2 電流源型驅(qū)動方法示意Fig.2 Schematic of current source drive method

由以上電壓源型驅(qū)動和電流源型驅(qū)動方法的分析，可以很明顯得到電流源型驅(qū)動的優(yōu)勢，除了減小損耗以外，對于電流變化率和電壓變化率以及振蕩現(xiàn)象都有很好的優(yōu)化。另外電流源型驅(qū)動不需要柵極電阻，也因此不需要在柵極電阻上產(chǎn)生的驅(qū)動功率問題，對電路也進行了簡化，進一步提高可靠性，使得IGBT開通關(guān)斷性能更好。

2 具有轉(zhuǎn)換速率控制功能的電流源型驅(qū)動

2.1 原理分析

本文設(shè)計的電流源型驅(qū)動具有轉(zhuǎn)換速率控制功能，可以在IGBT開通過程的不同階段使用不同的柵極電流，靈活控制開通速度，控制電流變化率di/dt。將IGBT整個開通過程分為3個階段：預升壓階段、開通階段和VCC2嵌位階段，如圖3所示。

t0～t1階段為預升壓階段。在這個階段中使用較大的電流為柵極-發(fā)射極電容充電，使柵極電壓在135 ns內(nèi)從負值上升到略低于IGBT開通的柵極閾值電壓，即Vge

t1～t3階段為柵極開通階段。在此階段，柵極電流有11種檔位可供選擇，如圖4所示。其中第1檔到第10檔可以使用精確的斜率控制[10]，即輸入的選擇電壓與輸出的柵極電流成比例關(guān)系，易于控制。而在此階段，柵極電壓也是要經(jīng)過密勒平臺（開通損耗主要發(fā)生在密勒平臺期間）。因此，根據(jù)IGBT開通時的電流不同，可以選擇11種等級的其中之一，使得柵極電壓處于密勒平臺的時間較短，同時開通電流不發(fā)生振蕩，降低了開通損耗，同時也可以抑制di/dt，減小電磁干擾EMI（electromagnetic interference）問題。

t3時刻后，便進入VCC2嵌位階段。柵極電流逐漸減小至0，柵極電容充滿電，IGBT完全導通。

圖3 開通過程三階段Fig.3 Three phases of turn-on process

圖4 11檔柵極電流Fig.4 Gate current at 11 levels

2.2 柵極電流檔位選擇

在IGBT開通過程中有2個比較值得關(guān)注的性能指標：一是開通損耗，另一是橋臂的電流變化率di/dt。此電流源型驅(qū)動在IGBT開通過程中有11檔柵極電流可供選擇，在IGBT開通時的電流即負載電流不同的情況下，選擇不同的檔位對于開通損耗和電流變化率di/dt的影響大不相同，選擇柵極電流小的檔位會使得di/dt相應(yīng)地減小，開通特性就會變軟，同時二極管的反向恢復電流變化率也會變小，二極管所受的應(yīng)力降低；但另一方面，開通損耗卻在迅速增大，達到3～4倍之多。所以在選擇柵極電流檔位的時候，要綜合考慮開通損耗與開通di/dt之間的關(guān)系，尋求一個最合適的檔位，使得開通電流不出現(xiàn)明顯振蕩的情況下，盡量減小開通損耗[11]。因此選擇柵極電流檔位的總體依據(jù)是，在負載電流較小時，開通電流容易發(fā)生振蕩，使用柵極電流小的檔位來減小振蕩，在負載電流較大時，開通電流不易振蕩則選用柵極電流大的檔位來加快開通速度，降低了開通損耗，可以讓整個負載周期內(nèi)的損耗得以降低。

3 實驗測試與評估

3.1 實驗平臺

搭建了雙脈沖實驗測試平臺，主要由以下幾個部分構(gòu)成：FF1200R12IE5高功率IGBT半橋模塊、1ED-SRC驅(qū)動板 （電流源型）、1ED020I12驅(qū)動板（電壓源型）、雙脈沖信號發(fā)生器、15 V直流電源、高壓直流電源、直流母線系統(tǒng)、負載電抗器以及示波器，如圖5所示。其中1ED-SRC電流源型驅(qū)動主要是由DC/DC隔離電源電路、短路檢測與保護電路、推動級功率放大電路等部分組成。除了具有11種柵極電流可供選擇，此驅(qū)動還具有VCESAT退飽和檢測功能，實時檢測IGBT是否發(fā)生短路、過電流等故障，出現(xiàn)故障可以對IGBT進行軟關(guān)斷，可靠地保護了IGBT，提高系統(tǒng)可靠性的同時降低了故障的損害。

圖5 實驗平臺Fig.5 Experimental platform

FF1200R12IE5是英飛凌公司新設(shè)計的一款高功率密度IGBT模塊，如圖6所示。電壓等級1 200 V，電流等級1 200 A。IGBT5本身具有高工作結(jié)溫的特點，可以達到175℃。為了充分發(fā)揮其高工作結(jié)溫特點，新一代PrimePACKTM2封裝結(jié)合最新的.XT技術(shù)和新的設(shè)計方法，在保持上一代封裝尺寸的基礎(chǔ)上使得模塊電流輸出能力提升了33%。本實驗選用此高功率密度IGBT模塊，分別使用兩種驅(qū)動對其開通過程進行測試。

圖6 高功率密度IGBT模塊Fig.6 High power density IGBT module

3.2 結(jié)果與分析

本實驗是在IGBT開通電流即負載電流分別為100、300、600、900 和 1 200 A 下進行的，從小電流到大電流覆蓋IGBT的整個工作電流區(qū)間，并研究不同柵極電阻和柵極電流對開關(guān)過程所產(chǎn)生的影響。

1）1ED020I12電壓源型驅(qū)動測試結(jié)果

電壓源型驅(qū)動需要在不同的柵極電阻之間切換來測試IGBT開通過程，通過篩選出合適的柵極電阻然后再與電流源型驅(qū)動板測試結(jié)果比較。本次測試使用的柵極電阻Rg分別為0.5、0.8、1.6和2.2 Ω。

IGBT的數(shù)據(jù)手冊中一般都會推薦柵極電阻，但實際應(yīng)用中，選擇合適的柵極電阻往往通過測試，在一些條件比較惡劣的時候，比如小電流開通下，其波形不能發(fā)生明顯的振蕩。圖7為開通電流在100 A下分別使用4種柵極電阻進行測試的IGBT開通過程波形，其中Ic代表集電極電流，VCE代表集電極-發(fā)射極電壓，VGE代表柵極電壓。

由圖7可見，柵極電阻對IGBT開通過程的影響，即隨著柵極電阻的增大，開通速度變慢；在集電極電流第1次上升到負載電流100 A時，下降過程中會出現(xiàn)振蕩，而這期間主要發(fā)生在二極管反向恢復過程，所以振蕩會對二極管產(chǎn)生較大的應(yīng)力，要盡量避免這種振蕩的產(chǎn)生，就要增大柵極電阻，但是增大柵極電阻又會導致開通損耗迅速升高。

從圖7中可以得到4種柵極電阻下在不同集電極電流開通的損耗以及電流變化率di/dt的數(shù)據(jù)，如圖8所示。其中橫坐標是集電極電流Ic，縱坐標代表開通損耗Eon和di/dt，變化量是柵極電阻Rg。其中在集電極電流為100 A的時候，可以看到開通損耗隨著柵極電阻的變化不是很明顯，但集電極電流逐步上升到大電流狀態(tài)下，開通損耗的差距就體現(xiàn)出來了。因此在選擇柵極電阻的時候，要考慮到在小電流開通時不產(chǎn)生明顯的振蕩，同時在大電流狀態(tài)下又不能產(chǎn)生太大的損耗，電阻既不能太大也不能太小。綜合考慮這些因素，選擇的柵極電阻為1.6 Ω。

選擇的柵極電阻大小為1.6 Ω，使用此柵極電阻測試的結(jié)果將于與電流源型驅(qū)動板測試的結(jié)果對比，開通損耗和電流變化率數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 集電極電流100 A時開通過程波形Fig.7 Waveforms of turn-on process at collector current of 100 A

圖8 電壓源型驅(qū)動測試結(jié)果曲線Fig.8 Curves of test results of voltage source driver

表1 柵極電阻為1.6 Ω的開通損耗與電流變化率di/dt數(shù)據(jù)Tab.1 Data of turn-on losses and current slew rate di/dt at gate resistor of 1.6 Ω

（2）1ED-SRC電流源型驅(qū)動測試結(jié)果

高檔位對應(yīng)大的柵極電流，低檔位對應(yīng)小的柵極電流，共有11檔柵極電流選擇。在集電極電流為100 A的時候，通過幾種檔位的開通波形進行比較分析，最終選擇了第2檔的柵極電流。圖9為柵極電流在第2檔時集電極電流100 A的開通波形?？梢钥吹?，集電極電流上升到最大值后，在下降過程中沒有出現(xiàn)明顯的振蕩，對二極管產(chǎn)生的應(yīng)力在承受范圍之內(nèi)。

圖9 柵極電流第2檔時開通過程波形Fig.9 Waveforms of turn-on process at level-2 gate current

圖10 電流源型驅(qū)動測試結(jié)果曲線Fig.10 Curves of test results of current source driver

不同集電極電流下IGBT開通時的不同檔位的損耗數(shù)據(jù)和電流變化率如圖10所示。由圖10可以看出，隨著檔位的提高，開通損耗能迅速降低，尤其在負載電流較大時降低得更加明顯。與此同時，di/dt也在增大，負載電流大于600 A時di/dt增大的斜率沒有負載電流小于600 A時的高。在不同的負載電流下，選用的檔位以及數(shù)據(jù)如表2所示。

（3）結(jié)果對比分析

開關(guān)損耗和di/dt的比較曲線如圖11所示。通過圖11和表3可以看到，使用該電流源型驅(qū)動在減小開通損耗方面的優(yōu)勢。隨著負載電流的增大，損耗減小的程度也在擴大，負載電流為300 A時，開通損耗減小了21.87%，而負載電流到1 200 A時則可以減小57.25%的開通損耗，減小開通損耗效果十分明顯。在小電流100 A時開通電流變化率di/dt，電流源型驅(qū)動的表現(xiàn)也要優(yōu)于電壓源型驅(qū)動，同時開通電流也不會發(fā)生振蕩，減小了二極管所受的應(yīng)力；在大電流開通時di/dt要大一些，但是開通電流并沒有發(fā)生振蕩，在可控范圍之內(nèi)。

表2 柵極電流檔位選擇以及開通損耗和di/dtTab.2 Choice of gate current level and data of turn-on losses and current slew rate di/dt

表3 IGBT開通損耗比較Tab.3 Comparison of IGBT turn-on losses

圖11 測試結(jié)果比較曲線Fig.11 Comparison curves of test results

4 結(jié)語

為了降低高功率密度IGBT的開通損耗，本文使用1ED-SRC驅(qū)動芯片設(shè)計了一種具有轉(zhuǎn)換速率控制的電流源型驅(qū)動。這種驅(qū)動可以很大程度上改善高功率密度IGBT開通時的表現(xiàn)。相比于電壓型驅(qū)動，在開通過程中電流沒有出現(xiàn)振蕩的情況下，能夠大大減小整個負載工作周期的開通損耗，這對高功率密度IGBT持續(xù)工作在大電流模式下有了保障；同時驅(qū)動電路也會更加簡單，具有較高的集成度，可以很大程度上提高系統(tǒng)的可靠性，對系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率和功率密度的提高有著突出的貢獻。因此，這種電流源型驅(qū)動對高功率密度IGBT的廣泛應(yīng)用將會起到很大作用。