【学术论文】基于电流反馈的IGBT有源栅极驱动方法研究
随着IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)制造工艺及集成工艺技术的日益成熟，其良好的开关特性被广泛运用在新能源开发及智能电网等领域。在IGBT日益高频化的运用中，开通与关断瞬间产生的电流过冲与电压过冲，严重影响着IGBT的可靠运行[1]。因此，控制IGBT开通时di/dt与关断时du/dt的大小成为研究的一个热点。
近年来，对于IGBT开通与关断过程中的电流与电压过冲的抑制已有一定的研究基础。文献[2]提出了一种驱动脉冲边缘调制技术，这种方法加重了DSP工作负担，不适用于高频化运用。文献[3]采用传统的增大栅极电阻及钳位电路方法抑制过高的di/dt和du/dt，这种方法引入了不容忽视的栅极电阻损耗。文献[4]给出了一种有源电流源IGBT门极闭环控制，这种调控方法的影响因子过多，不利于IGBT的稳定通断。本文提出了一种基于di/dt和du/dt反馈的IGBT栅极驱动方法，设置两个可调的参数α和参数β，调节反馈到栅极的电流实现对IGBT在开通时与关断时相对应的di/dt和di/dt的控制，实现对电流与电压过冲的抑制。提高系统的运行可靠性，延长器件使用寿命。
为了模拟IGBT开关行为的相关特性，有效的方法是采用双脉冲测试平台进行仿真和实验。半桥测试等效电路如图1所示，由于上管的IGBT处于常关断状态，因此可由一个快速恢复的二极管代替。
为了保护IGBT，常采用带有反并联二极管的IGBT作为实验对象，IGBT在开通时，由于上管的二极管续流作用，该电流与发射极电流进行叠加，出现尖峰电流Icp，其值如式(1)所示。
其中，i(off)为IGBT关断时各个时间段的电流，v(off)为关断时各个时间段的电压。
i(on)、v(on)与di/dt有关[5]，i(off)、v(off)与du/dt有关，因此，随着IGBT的di/dt与du/dt的减小，IGBT的损耗也随之减小。
IGBT开通时di/dt控制模型如图2所示。
在IGBT的发射极串联一个电感LE，在开通时，LE产生一个正比于di/dt的超调电压UL。将这个反馈电压转化为可控的反馈电流反馈到栅极，调节电路中的参数α，实现对栅极电流的调控，从而控制开通时di/dt的变化。
2.1 开通时控制电路及控制分析
如图3所示，为实现将电压值转化为可调的电流值，控制电路采用电压控制的镜像电流源模块[6]。当电阻R1=R2=R5=R6，R3=R4时，R4上流过的电压与输入电压UL相等。由于运放“虚短”和“虚断”特点，因此流入运放的电压为零，电阻R4上流过的电压与电阻R0上流过的电压相等。这样控制电阻R0的值，就得到可控的反馈电流值IL，如式(5)所示。
2.2 开通时di/dt控制电路及控制分析
由图4可知，在IGBT的发射级串联一个无源反馈电感LE，IGBT在开通时LE反馈一个负的电压值为UL，如式(6)所示。
由式(5)和式(6)可知，反馈电流IL值为正。IL不能直接加在栅极，以免对栅极电流造成冲击，因此需要引入一个由Q5、Q6组成的镜像电路，将流过Q6的电流镜像到流过Q5的电路上反馈到栅极。这样，实现了对IGBT开通时栅极电流的调控，IGBT开通时di/dt得到控制，如式(7)所示。
其中，gm是开关器件的跨导(A/V)，VT是栅极阈值电压(V)，Rg是栅极电阻(Ω)，IL是发射级流过的电流(A)，Cgc是开关器件栅极-集电极之间的电容(F)，Cge是开关器件栅极-发射极间的电容(F)，Vcc是栅极开通驱动电压，取+15 V。
IGBT关断时du/dt控制模型如图5所示。
在IGBT的集电极并联一个电容CQ，在IGBT关断时，电容CQ开始放电，产生一个正比于du/dt的超调电流与栅极电流相加。通过调节电路中的参数，实现对栅极电流的调控，从而调节IGBT关断时的du/dt的变化。
3.1 关断时控制电路及控制分析
如图6所示，为了将电流值IQ变成一个可调的电流值，控制电路采用电流控制的镜像电流源电路。当输入电流为IQ时，由于运算放大器的“虚短”和“虚断”特性，流入运放电流为零，电流全部流过电阻R1。又由Ui=Uo，这样控制电阻R2的值，就可以得到可控的电流值Io，如式(8)所示。
3.2 关断时du/dt控制电路及控制分析
由图7可知，当IGBT关断时，CQ开始放电，放电电流为2IQ，通过Q1、Q2组成的镜像电路将电流均分为两路电流值都为IQ的电流，2IQ电流值如式(9)所示。
由式（8）可知，通过两次的电流源控制的镜像电流源，将电流转换为βIQ。设置参数β时，应满足β<1，防止电容CQ的无功补偿。同理，后级电路经过Q3、Q4组成的镜像电路，将流过Q3的电流?茁IQ镜像到流过Q4上，Q1与Q4的电流叠加为(1-β)IQ，进而反馈到栅极，实现对关断时栅极电流的调控，IGBT关断时du/dt得到控制，如式(10)所示。
其中，VEE是栅极关断驱动电压(V)，取-15 V。
4.1 仿真分析
在Saber软件中搭建IGBT双脉冲测试电路进行仿真，IGBT型号选用IR公司生产的IRGPC50s；开关频率为10 kHz；LS电感值设定为3 μH；反馈电感值选择10 nH；反馈电容值选择20 pF；调节α值为2:1，3:1，4:1，β值为1:2，1:3，1:4时所对应的开通di/dt和关断du/dt的仿真波形如图8所示。
从图8(a)和图8(b)仿真波形可知，随着参数α的增大，对应IGBT开通时的di/dt随之变小。随着参数β的变小，对应IGBT关断时的du/dt随之减小。
4.2 实验分析
为了验证理论分析及仿真的正确性，搭建了双脉冲实验平台。实验参数为：IGBT型号为Hgtg20n120cn；开关频率为10 kHz；LS电感值为1 μH；反馈电感值选择10 nH，反馈电容值选择20 pF。调节α值为2:1，3:1，4:1和β值为1:2，1:3，1:4时所对应的开通di/dt和关断du/dt的实验波形如图9所示。
图9(a)和图9(b)分别为IGBT开通与关断时di/dt和du/dt对应的波形，实验验证，随着参数α的增大，对应IGBT开通时的di/dt随之减小。随着参数β的变小，对应IGBT关断时的du/dt随之减小。
在500 V/50 A实验条件下，表1给出了IGBT在开通时不同的参数α对应的测试数据。表2给出了IGBT在关断时不同的参数β对应的测试数据。
由表1和表2可知，随着参数α的增大，对应IGBT开通时的Irr随之减小，开通时间增加，开通时的损耗减小。随着参数β的变小，对应IGBT关断时的Vos随之变小，关断时间增加，关断时的损耗变小。
本文提出的驱动控制方法能够实现对IGBT开通di/dt与关断du/dt的控制。通过调节参数α能有效调节IGBT开通时di/dt的变化，调节参数β能有效调节IGBT关断时du/dt的变化，从而抑制IGBT开通时电流过冲和关断时的过压损坏，有效抑制开关管的误导通。同时减小了IGBT开通与关断时的损耗，有利于提高IGBT的运行可靠性，延长器件使用寿命。