在本系列的第 1 部分中，我們討論了如何正確選擇 IGBT" target="_blank">IGBT 的控制電壓。這一次，我們將了解有關(guān)隔離要求以及如何計(jì)算正確的IGBT 驅(qū)動(dòng)功率的更多信息。
對(duì)于任何工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須確保輸入電路（低壓）和輸出電路（高壓）的電位分離。低壓側(cè)與控制電子設(shè)備接口，而高壓側(cè)連接到 IGBT。隔離是必要的，因?yàn)樯喜?IGBT 的發(fā)射極電位在直流母線的 DC+ 和 DC- 電位之間切換，其范圍可以在數(shù)百或數(shù)千伏之間。根據(jù)應(yīng)用，必須遵守相應(yīng)的電氣間隙和爬電距離標(biāo)準(zhǔn)以及符合測(cè)試電壓。觀察到的一些典型標(biāo)準(zhǔn)是：IEC60664-1、IEC60664-3、IEC61800-5-1 和 EN50124-1。
IGBT驅(qū)動(dòng)器STGAP2HD 和SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)器STGAP2SICD 利用意法半導(dǎo)體最新的電隔離技術(shù),采用SO-36W 寬體封裝,能夠耐受6kV瞬變電壓。此外,±100V/ns dv/dt 瞬變耐量可防止在高電噪聲工況下發(fā)生雜散導(dǎo)通現(xiàn)象。這兩款驅(qū)動(dòng)器都提供最高4A的柵極控制信號(hào),雙輸出引腳為柵極驅(qū)動(dòng)帶來(lái)更多靈活性,支持開通和關(guān)斷時(shí)間單獨(dú)調(diào)整。有源米勒鉗位功能可防止柵極在半橋拓?fù)淇焖贀Q向過(guò)程中出現(xiàn)尖峰電壓。
電路保護(hù)功能包括過(guò)熱保護(hù)、安全操作看門狗,每個(gè)通道都有欠壓鎖定 (UVLO)機(jī)制,防止驅(qū)動(dòng)器在危險(xiǎn)的低效模式下啟動(dòng)。按照 SiC MOSFET的技術(shù)要求,STGAP2SICD 提高了 UVLO的閾值電壓,以優(yōu)化晶體管的能效。
每款器件都有一個(gè)在雙低邊不對(duì)稱半橋應(yīng)用中同時(shí)開通兩個(gè)通道的iLOCK 引腳和防止在傳統(tǒng)的半橋電路中出現(xiàn)直通電流的互鎖保護(hù)機(jī)制。這兩款驅(qū)動(dòng)器在高壓軌上的額定電壓都達(dá)到 1200V,輸入到輸出傳播時(shí)間為 75ns,PWM控制精度很高。
意法半導(dǎo)體的新雙通道電流隔離柵極驅(qū)動(dòng)器具有專用的關(guān)斷引腳和制動(dòng)引腳,以及待機(jī)省電引腳,目標(biāo)應(yīng)用包括電源、電機(jī)、變頻器、焊機(jī)和充電器。此外,輸入引腳兼容最低3.3V的TTL和 CMOS 邏輯信號(hào),以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)器與主微控制器或DSP處理器的連接。
在最簡(jiǎn)單的情況下，僅將半橋的上部 IGBT 與下部 IGBT 分開可能就足夠了。如果微控制器也參考直流電勢(shì)，這通常是可能的。根據(jù)應(yīng)用，建議或要求隨后分離與用戶界面的互連。這主要是為了對(duì)噪聲和共模接地效應(yīng)進(jìn)行基本隔離。在大功率應(yīng)用中，每個(gè) IGBT 都進(jìn)行隔離，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都有自己的電源，如圖 1所示。
圖 1. 具有隔離柵極驅(qū)動(dòng)的三相逆變器（注：所有柵極驅(qū)動(dòng)器均由單獨(dú)的隔離電源供電）
如圖 2所示，對(duì)于發(fā)射極處于 DC 電位的開關(guān)，電源的復(fù)雜性可以得到簡(jiǎn)化。
圖 2. 具有隔離柵極驅(qū)動(dòng)的三相逆變器（注：較低的柵極驅(qū)動(dòng)器由公共電源供電）
現(xiàn)在，讓我們學(xué)習(xí)如何計(jì)算 IGBT 需要多少柵極驅(qū)動(dòng)功率。在驅(qū)動(dòng) IGBT 時(shí)，兩個(gè)柵極電壓電平之間的轉(zhuǎn)換需要在柵極驅(qū)動(dòng)器、柵極電阻器和 IGBT 之間的環(huán)路中消耗一定量的功率。這個(gè)數(shù)字通常稱為“驅(qū)動(dòng)功率 - P DRV”。” 該驅(qū)動(dòng)功率由柵極電荷 Q Gate、開關(guān)頻率 f IN和實(shí)際驅(qū)動(dòng)器輸出電壓擺幅 ΔV Gate計(jì)算得出：
P DRV = Q Gate * f IN * ΔV Gate
如果存在外部電容器 C GE（輔助柵極電容器），則柵極驅(qū)動(dòng)器還需要對(duì)該電容器進(jìn)行充電和放電，如圖 3所示。
圖 3. 具有用于計(jì)算柵極功率的柵極驅(qū)動(dòng)電路的 IGBT
只要 C GE在一個(gè)周期內(nèi)完全充電和放電，R GE的值就不會(huì)影響所需的驅(qū)動(dòng)功率。所需的驅(qū)動(dòng)功率變?yōu)椋?/p>
P DRV = (Q Gate * f IN * ΔV Gate ) + (C GE * f IN * ΔV GATE 2 )
應(yīng)該注意的是，只要開關(guān)轉(zhuǎn)換從完全開啟到完全關(guān)閉再返回，驅(qū)動(dòng)功率不取決于柵極電阻的值或占空比。此外，這些等式在非諧振柵極驅(qū)動(dòng)中也是正確的。這是 IGBT 所需的總驅(qū)動(dòng)功率，但驅(qū)動(dòng) IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)器也會(huì)消耗一些功率。應(yīng)該添加此功耗以獲得柵極驅(qū)動(dòng)功率的最終值。
P DRV = (Q Gate * f IN * ΔV Gate ) + (C GE * f IN * ΔV GATE 2 ) + P driver
這是否涵蓋了優(yōu)化 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器所需的知識(shí)？你還想學(xué)什么？
