怎么計算IGBT驅動電流及驅動功率

IGBT驅動電路的設計包括上下橋絕緣水平的選擇、驅動電壓水平的確定、驅動芯片驅動功率的確定、短路保護電路等等。今天我們重點討論一下驅動電流以及功率的確定，也就是說如何確定一個驅動芯片電流能力是不是可以驅動一個特定型號的IGBT，如果不能驅動該如何增強驅動輸出能力。

01.驅動芯片峰值電流的計算

在選擇IGBT驅動芯片時，很重要的一步就是計算IGBT所需要的最大驅動電流，在不考慮門極增加Cge電容的條件下，可以把IGBT驅動環節簡化為一個RLC電路，如下圖陰影部分所示。

求解這個電路可以得到峰值電路的關系式如下：

Ipeak ：驅動環節可以輸出的最大電流

ΔUge ：門極電源最大值減去最小值

RG,ext ：外部門極電阻值，RG,int為器件內部的電阻值

從上面公式可以看出最大驅動電流取決于門極電壓水平，以及門極電阻值，一旦這兩個參數確定后，所需要的最大驅動電流基本確定。當然，在一些設計中會選用不同的開通關斷電阻，那么就需要分別計算開通關斷需要的電流。依據上述計算的開通關斷電流值可以初步選擇芯片的驅動電流，芯片數據手冊給出的峰值不能小于計算得到的電流值，并且適當考慮工程余量。

02.推挽電路放大電路增加驅動電流

如果驅動芯片的輸出電流不能驅動特定IGBT的話，比較簡單的方法是采用推挽電路進一步增強驅動芯片的峰值電流輸出能力。采用三極管放大是一種常用的方式，其計算步驟如下：

（1）根據選擇的驅動電壓水平以及門極電阻計算得到需求的最大峰值電流Ipeak

（2）選擇合適耐壓的PNP/NPN三極管組成推挽電路

（3）查所選擇的三極管數據手冊中的電流傳輸系數 hFE ，計算得到三極管的基極電流

（4）計算驅動芯片輸出極的輸出電阻

上述步驟給出了BJT作為推挽放大電路時一般的步驟，需要著重考慮的是BJT的耐壓以及基級電阻的匹配。由于使用BJT做推挽放大設計設計比較簡單，因此在設計中得到廣泛的應用。在大功率應用場合比較常用的BJT三極管型號有MJD44/45H11(80V)等。

需要指出的是，在推挽電路設計中，與BJT相比MOSFET有自身的優勢，主要表現為功率密度更大，BJT通常是D-PAK的封裝，而MOSFET通常是SO8封裝；另外MOSFET需要更小的控制電流，開關速度較快，比較適用于FPGA的數字控制以及多電平軟關斷。但是在使用MOSFET做推挽設計時需要注意的是下橋n溝道MOSFET的門極電壓與電源電壓的匹配問題，為此需要在門極增加穩壓二極管。在大功率場合MOSFET IRF7343(-55/+60V)是比較常用的器件以及耐壓與性能比較接近的器件。

03.驅動平均功率計算

在驅動環節的設計中，除了驅動的峰值電流外，電流的有效值也是需要關注的重要參數之一。前者決定是否能有效地驅動特定型號的IGBT,后者決定其發熱或者溫升是否能滿足設計要求。下圖給出的是FF1200R17KE3門極電流電壓的測試波形。測試的配置如下：

Rg,on=1.3ohm

Rg,off=1.4ohm

Vge=+/-15v

依據上述公式可以計算得到 Ipeak =7.66A，測試值與計算值基本接近。

查器件FF1200R17KE3的數據手冊可知Qg=14uc，Rgint=1.6ohm。

把門極的電流波形近視為三角波，三角波的持續時間可以用下面公式簡化計算

設器件的開關頻率為2.5kHz，一個開關周期的時間T=400us,驅動電流的有效值可以用下面的式子計算得到

依據該電流值查推挽輸出三極管的特性曲線得到三極管的損耗，用于計算三極管的溫升是否滿足運行要求。

04.小結

本文簡要介紹了IGBT驅動環節設計中門極峰值電流的計算以及使用三極管推挽輸出環節的一般計算過程，最后結合實際應用考慮三極管的發熱溫升。

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