IGBT動態di/dt控制電路實現方法

楊磊 汪志 敬小勇

（1. 海軍92351部隊，三亞 572016；2. 北京交通大學電氣工程學院，北京 210000）

0 引言

絕緣柵雙極晶體管 IGBT是集功率晶體管GTR和功率場效應管 MOSFET的優點于一身，具有易于驅動、峰值電流容量大、自關斷、開關頻率高（10-40 kHz）的特點，近年來被廣泛應用于高電壓、大功率場合。但是其在大容量的電能變換系統工作中隨著IGBT的超速開通和關斷，將在電路中產生高頻幅值很高而寬度很窄的di/dt。di/dt過大，在電路存在大的換向回路電感情況下，形成很高的尖峰電壓，有可能造成IGBT自身或電路中其他元器件因過電壓擊穿而損壞。應用常規的過電壓吸收電路吸收不掉該尖峰電壓。為了解決上述問題，最近國外[2-3]提出了一種di/dt控制電路。在實際應用過程中由于該控制電路外加電源太多，各節點電壓出現變化而導致電路中鏡像電流源工作失效，控制效果不好。

針對以上問題，本文提出一種具體的 di/dt控制電路。電路采用一個統一的24 V電源供電，通過改變調節電阻的值來調整注入或者抽取門極電流的值，減緩開關管IGBT的開通和關斷速度，以達到控制開關電流上升率和下降率的目的。電路結構更簡單，能消除文獻[2-3]中存在的缺陷，同時保留了其優點。最后驗證了該電路的可行性。

1 動態di/dt控制電路

圖1所示為文獻[3]提出的動態 di/dt控制電路。它由兩個鏡像電流源和一個差分電路所組成。通過改變 Vc的值來改變差分電路中注入或抽取門極電流的大小，從而改變di/dt的大小。

在通過對圖1的電路進行仿真時，三極管Q4中的電流通過基極進入 Q3中，出現這種現象的原因是因為在外加電源的作用下，各節點電壓出現變化而導致鏡像電流源工作失效，因此本文提出一種改進后的IGBT動態di/dt控制電路，如圖2所示：

圖1 動態di/dt控制電路

在圖 2中，差分支路的電源改為電阻 R1和R2組成。外加電源 Vc和 Vb的作用就是使差分支路中的一對三極管基極節點電壓不同從而產生差分電流，電阻 R1和 R2上產生的電壓就可以代替外加電源Vc和Vb的作用。通過調整電阻R1和R2的大小，就可以控制注入和抽取門極電流的大小，從而控制di/dt上升率和下降率。此電路采用一個統一的 24 V電源供電，也就避免了外加電源太多，各節點電壓出現變化而導致鏡像電流源工作失效情況的發生。

圖2 動態di/dt改進控制電路（IGBT開通和關斷狀態）

2 仿真分析

此電路采用感性負載，IGBT選擇PSPICE模型庫中的BSM100GB100D。各參數值如下：母線電壓Ed=50 V，Vcc=15 V，I0=5 A，VEE=-9 V ，Rg=40 Ω，L0=10 μH。在 Ln=50 nH的條件下，對R1(R1=R2)分別等于200 Ω和50 Ω時發射極電流進行仿真比較。

通過圖3-8仿真分析的結果可以得出，取樣電阻 R1越大，發射極電流變化率越小，補償效果越好，特別是發射極電流下降率變化尤為明顯。這與理論分析相吻合。

圖3 R1=200 Ω時發射極電流波形

圖4 R1=50 Ω時發射極電流波形

圖5 R1=200 Ω時發射極電流上升波形

圖6 R1=50 Ω時發射極電流上升波形

圖7 R1=200 Ω時發射極電流下降波形

3 結論

本文提出了一種具體的di/dt控制電路，通過該改進電路，解決了在實際應用過程中由于文獻[2][3]中 di/dt控制電路外加電源太多，各節點電壓出現變化而導致電路中鏡像電流源工作失效，控制效果不好的問題，達到了良好的控制效果。

圖8 R1=50 Ω時發射極電流下降波形

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