基于最小損耗的IGBT驅動最優設計方法

陳 申，朱選才，徐飛冬，翁炳文，吳夢勝（臺達電子企業管理（上海）有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310051）

0 引 言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）被廣泛應用于電力電子功率變換器中，如AC/DC整流器[1]、DC/DC變換器[2]、DC/AC逆變器[3]和AC/AC變頻器[4]等。

IGBT驅動對功率變換器的性能及可靠性均有決定性影響[5]。它的設計包括驅動器、驅動電阻和緩沖電容。IGBT電流越大，驅動功率越大。驅動器設計主要是保證驅動功率滿足要求。驅動電阻和緩沖電容設計是保證IGBT的電氣應力在安全工作區內。

針對已有的IGBT驅動設計并沒有實現最優設計的問題，本文提出了一種最小損耗的最優設計方法。該方法包含可行性設計、建立目標函數、建立約束條件和最優解求解4個步驟。

1 基于最小損耗的IGBT驅動最優設計方法

研究假定設計人員已經選定驅動器型號和吸收電容，在此基礎上完成驅動電阻（包括開通電阻Rg_on和關斷電阻Rg_off）的最優設計。先根據經驗公式完成可行性設計，以此作為最優設計的初始狀態。然后，以IGBT損耗為目標函數，以開通電阻、關斷電阻為優化變量，以器件安全工作區為約束條件，通過求解最小損耗獲得最優驅動參數。

1.1 可行性設計

可行性設計主要依賴IGBT制造商提供的數據手冊或應用手冊。不同制造商給出的參考設計不同。比如，三菱的IGBT模塊驅動電阻（包括開通電阻Rg_on和關斷電阻Rg_off）的參考設計為：

式中：k為設計系數，一般取為3～5；Rg_min為IGBT數據手冊中給出的最小驅動電阻值。

可行性設計主要是依賴資料或設計人員經驗，一般會將開通電阻和關斷電阻設計為相同值。

1.2 建立目標函數

完成可行性設計后，需要建立最優設計的目標函數，這里以IGBT總損耗作為目標函數。IGBT總損耗主要包含開通損耗（反向恢復損耗合并到該損耗中）、關斷損耗、導通損耗和驅動損耗。

1.2.1 IGBT開通損耗

開通損耗可以表示為開通能量Eon乘以開關頻率fsw。根據IGBT數據手冊和實際測量結果，開通能量Eon僅和開通電阻有關，近似呈二階關系。

式中，aon、bon和con為開通能量系數。

1.2.2 IGBT關斷損耗

關斷損耗可以表示為關斷能量Eoff乘以開關頻率fsw。根據IGBT數據手冊和實際測量結果，關斷能量Eoff僅和關斷電阻有關，近似呈一階關系。

式中，koff和boff為關斷能量系數。

1.2.3 IGBT導通損耗

導通損耗主要受導通壓降、工作電流和開關頻率影響。

式中：D為設定占空比；Vcond為IGBT飽和壓降，這里只考慮驅動電壓的影響。

1.2.4 驅動損耗

驅動損耗包括開通驅動損耗和關斷驅動損耗。

式中，Qg為門極電荷量，ton和toff分別為開通時間和關斷時間。

1.2.5 總損耗

總損耗可以表示為：

1.3 建立約束條件

電氣應力不得超過其安全工作區。電氣應力包括電壓應力Vce_pk（即IGBT關斷峰值電壓）和電流應力Ic_pk（即IGBT開通時的重復峰值電流）。

式中，kv、bv、ki和bi分別為電壓應力和電流應力的擬合參數，因此約束條件可以表示為：

式中，Icm和Vcem分別為IGBT所能承受的峰值電流和峰值電壓。

1.4 最優解求解

設非線性規劃PIGBT(X)，求：

2 實驗與分析

以10 kV級三相聯型高壓變頻器為應用實例，該變頻器的每相采用5個功率單元級聯而成，15個功率單元分別接到移相變壓器的15個二次繞組上。

2.1 可行性設計

IGBT模塊為BSM300GA170DLC，其數據手冊中給出的最小驅動電阻為5 Ω。根據式（1），它的驅動電阻設計值應落在[15 Ω，25 Ω]。這里考慮折中設計，選擇開通驅動電阻和關斷驅動電阻均為20 Ω。

2.2 IGBT開關特性測試及參數提取

雙脈沖測試是IGBT驅動測試的典型方法[6]，原理是通過發送兩個連續的短脈沖分別測試IGBT在給定工作電壓和工作電流下的開通和關斷特性。

圖1為本文的雙脈沖測試波形，Vdc=1 000 V，Idc=120 A。通道1（CH1）為開關管兩端電壓，檔位為200 V/格；通道2（CH2）為驅動電壓，檔位為10 V/格；通道4（CH4）為開關電流，檔位為50 A/格。實驗中選取10個電阻值分別進行雙脈沖測試，得到不同驅動電阻下的開通能量、關斷能量、電壓應力和電流應力等數據，并進行擬合和參數提取，結果輸出到最優設計求解單元。

圖1 雙脈沖實驗波形

2.3 優化設計結果及對比分析

在Matlab中編程實現最優解求解，求解結果如表1所示?？尚性O計的Rg_on和Rg_off均為20 Ω，而優化后的Rg_on和Rg_off均為5 Ω。優化前后總損耗分別為410.4 W和298.2 W，降低了27.3%。

2.4 整機實驗及效率對比分析

將功率單元樣機裝配在滿載測試平臺上（如圖2所示）進行低功耗滿載測試。圖3為被測功率單元滿載（200 A電流輸出）實驗波形（通過錄波儀DL850記錄）。通道1（CH1）為功率單元輸出電壓，檔位為250 V/格；通道2（CH2）為功率單元直流母線電壓，檔位為125 V/格；通道3（CH3）為母線支撐電容的電流，檔位為50 A/格；通道4（CH4）為功率單元輸出電流，檔位為50 A/格。最后，進行驅動優化前后滿載效率的對比實驗。驅動優化前，實測總損耗為1 673 W，滿載效率為98.8%。驅動優化后，實測總損耗為1 482W，滿載效率為98.94%，滿載效率提高了0.14%。

表1 可行設計與最優設計驅動參數對比

圖2 滿載測試平臺

圖3 滿載實驗波形

3 結 論

本文提出了一種基于最小損耗的IGBT驅動最優設計方法，共包含可行性設計、建立目標函數、建立約束條件和最優解求解4個步驟。實際使用時，通過雙脈沖測試獲得IGBT的開關數據，從而擬合得到IGBT的開關特性，將該特性輸入本文提出的模型，即可完成IGBT驅動的最優設計，在IGBT的安全工作區內將IGBT總損耗控制到最小。