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技術精講:優(yōu)化電機控制中IGBT直通電流的關鍵步驟

發(fā)布時間:2015-07-08 責任編輯:sherry

【導讀】電機控制中用到最多的就是半橋式電路中的IGBT,而在這種應用中也要確定IGBT的大小,那么如何去優(yōu)化大小呢?步驟就是基于開關功耗、產(chǎn)生的EMI,直通電流和可導致故障的可能性之間的權(quán)衡。所有這些因素都隨應用環(huán)境變化,包括母線電壓和開關電流大小,這些綜合起來確定IGBT的大小。
 
半橋式電路中的IGBT尤其多用于電機控制應用。圖騰柱式布局創(chuàng)造出一種需要最佳柵極電阻設計的場景。優(yōu)化步驟是基于開關功耗、產(chǎn)生的EMI,直通電流和可導致故障的可能性之間的權(quán)衡。所有這些因素都隨應用環(huán)境變化,包括母線電壓和開關電流大小,這些綜合起來確定IGBT的大小。IGBT的大小決定器件的寄生元件,包括相關的電容。一旦知道了寄生參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù),就可以選擇最佳的柵極電阻值。
 
在設計半橋式布局中的柵極驅(qū)動時,應該認真考慮圖1中的Rg_on和Rg_off。較低的Rg_on值由于會使IGBT速度更快,因而能夠減少開關能耗。
 
由于開關時間減少,高電壓和高電流狀況持續(xù)的時間較短。然而,快速開關速度可能導致幾個負面效應 ,比如EMI 增加,并且可能出現(xiàn)意外的直通電流。
 
在這些負面效應中,本博文介紹意外直通電流。如圖1所示,該穿通電流會通過將相反 IGBT柵極充電至超過閥值電壓的點而導致寄生導通。當一顆IGBT導通時,會對另外一顆IGBT施加上升的dvce/dt電壓 。上升電壓為米勒電容(Cgc)充電。因此,充電電流可通過以下方程式描述:
 
Eq˙Icharging = CgcXdvce/dt。
 
該電流流入柵極電容Cge和Rg_off,如圖1中的藍線所示?;赗g_off電阻、Cge,和電流,IGBT柵極-發(fā)射極兩端產(chǎn)生一個電壓。如果柵極-發(fā)射極電壓高于IGBT柵極-發(fā)射極閥值電壓 (VGEth),產(chǎn)生直通電流,如圖1中的紅線所示,并據(jù)此繪制出綠色波形,如圖2所示。
1C˙dv/dt電流和寄生導通
圖1: C˙dv/dt電流和寄生導通
2C˙dv/dt效應產(chǎn)生穿通電流時的真實開關波形
圖2:因C˙dv/dt效應產(chǎn)生穿通電流時的真實開關波形
 
為了防止出現(xiàn)這種現(xiàn)象,可以采用的一種方法是增大IGBT VGEth的閥值。然而,IGBT的Vce(sat)行為與VGEth之間存在權(quán)衡。增大柵極閥值電壓會導致額外的功耗,因為IGBT飽和電壓Vce(sat)會增大。因此,就效率而言,存在對增大 VGEth的局限性。
 
因此,應該控制這種現(xiàn)象發(fā)生,通過在考慮固定IGBT特性如寄生電容和 VGEth時選擇合適的柵極電阻值實現(xiàn)。
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為了優(yōu)化柵極控制電阻,要求知道影響圖2中觀察到的“Vge bump”的各種外部因素交互。
 
“Vge bump”電平會因為下列A到D項描述的關系中的因素增大:
3
因素C、D和E與工作條件相關。為了最小化穿通電流和產(chǎn)生的“Vge bump”,應該在最壞的C、D、E條件下考慮因素A和B。
 
圖3顯示如何通過調(diào)節(jié)柵極關斷速度將開關內(nèi)波形優(yōu)化到基本消除電流直通的點??傊?,為了阻止或減少這種穿通問題,推薦采用幾種調(diào)節(jié)方法,如表1所示。圖3顯示通過減小Rg_off值的調(diào)節(jié)方法的實例。推薦采用其他 調(diào)節(jié)方法,最小化直通電流的效應,同時優(yōu)化整體開關性能和效率。該表格總結(jié)了可以嘗試的調(diào)節(jié)方法、預期效應和可能缺點。建議嘗試各種調(diào)節(jié)方法,從而獲得能夠最大化效率同時最小化產(chǎn)生的直通電流和EMI的最佳情況。
通過減小Rg_off進行優(yōu)化的實例
圖3:通過減小Rg_off進行優(yōu)化的實例
 
電機控制工具的優(yōu)點︰
 
●開關及導通損耗優(yōu)于輸入數(shù)據(jù)范圍
 
●支持 Sine PWM、Space Vector PWM及四種間斷模式PWM
 
●指定電機頻率下的ΔTj(紋波溫度);預測模塊的長期可靠性
 
●以圖形顯示低變頻輸出頻率下的結(jié)溫紋波
 
●散熱器的散熱要求滿足既定標準
 
●結(jié)合等式與實證結(jié)果計算損耗,提供額外的數(shù)據(jù)保障
 
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