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9 o0 \' @) j8 _$ J3 X驱动芯片峰值电流的计算 {% }" C$ B8 T8 U# K) d. n1 h
- N2 j0 m2 ?( S+ a1 H) H( h在选择IGBT驱动芯片时，很重要的一步就是计算IGBT所需要的最大驱动电流，在不考虑门极增加Cge电容的条件下，可以把IGBT驱动环节简化为一个RLC电路，如下图阴影部分所示。/ g' @9 y q8 a1 B
6 v2 D3 z' ?$ a) d U" _
9 u! Q. j7 `! `! E8 j3 C2 ?% y( v" E9 e% h+ N& T. r6 \9 I
求解这个电路可以得到峰值电路的关系式如下：
" S0 S9 W9 `0 b" D8 b( o9 R4 w5 b/ X( O+ W+ i
! ]7 g2 ~+ l# U& g" O# O' u) ]& j( H
+ q) }7 K% d7 \. w, KIpeak：驱动环节可以输出的最大电流5 r0 {+ O$ c- w2 L3 |
7 ?( P: E( D: C/ a* M( L! KΔUge：门极电源最大值减去最小值1 E7 p8 x% W! `4 T
2 j% k% {1 e- @8 [# I
RG,ext：外部门极电阻值，RG,int为器件内部的电阻值
: K& k; g2 K" y) b4 n1 i6 _- P$ f5 @( f3 V1 i" Q
从上面公式可以看出最大驱动电流取决于门极电压水平，以及门极电阻值，一旦这两个参数确定后，所需要的最大驱动电流基本确定。当然，在一些设计中会选用不同的开通关断电阻，那么就需要分别计算开通关断需要的电流。依据上述计算的开通关断电流值可以初步选择芯片的驱动电流，芯片数据手册给出的峰值不能小于计算得到的电流值，并且适当考虑工程余量。
w3 @, O- C4 `. d! ~* h6 d6 M+ G* m2 Z4 i. O: x
02: U% t- e( n& E! t0 U
T0 j2 x0 ?- e- t3 J
推挽电路放大电路增加驱动电流
5 Y$ _! I9 o$ `/ e* e( L; H, b: @% U. V+ G# q' m. c% e3 C
如果驱动芯片的输出电流不能驱动特定IGBT的话，比较简单的方法是采用推挽电路进一步增强驱动芯片的峰值电流输出能力。采用三极管放大是一种常用的方式，其计算步骤如下：3 {( z) W' B- Z; b* x! `. |
6 b5 n) D3 b* l7 J0 u- J% f( Y
（1）根据选择的驱动电压水平以及门极电阻计算得到需求的最大峰值电流Ipeak% F8 p$ N9 L5 S4 o/ t& t
4 A+ _) Z* `( d" v8 B（2）选择合适耐压的PNP/NPN三极管组成推挽电路3 t& k: b& S% P5 O
C3 [8 H4 m2 d$ b2 ?, S
（3）查所选择的三极管数据手册中的电流传输系数hFE，计算得到三极管的基极电流- A1 g# @* {5 ?
9 Y( q9 W4 ]0 ]* ]
（4）计算驱动芯片输出极的输出电阻
$ o( q- O, `8 v. ^! x* B9 X/ b( y4 N
* J z0 B" z. h
4 n( n" c! N% }5 | o) `4 P+ E6 G6 G: I8 X) R1 x
上述步骤给出了BJT作为推挽放大电路时一般的步骤，需要着重考虑的是BJT的耐压以及基级电阻的匹配。由于使用BJT做推挽放大设计设计比较简单，因此在设计中得到广泛的应用。在大功率应用场合比较常用的BJT三极管型号有MJD44/45H11(80V)等1 g# ]* @$ g+ P2 ~0 `2 ?6 c0 G
! C0 C% L2 w, g" D
需要指出的是，在推挽电路设计中，与BJT相比MOSFET有自身的优势，主要表现为功率密度更大，BJT通常是D-PAK的封装，而MOSFET通常是SO8封装；另外MOSFET需要更小的控制电流，开关速度较快，比较适用于FPGA的数字控制以及多电平软关断。但是在使用MOSFET做推挽设计时需要注意的是下桥n沟道MOSFET的门极电压与电源电压的匹配问题，为此需要在门极增加稳压二极管。在大功率场合MOSFET IRF7343(-55/+60V)是比较常用的器件以及耐压与性能比较接近的器件
6 ? B4 w+ o/ u5 v) a1 Q4 K+ s# J$ E- p
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: g. [. X' i9 g0 i驱动平均功率计算
' r# k$ ^/ M8 G( z/ f* e7 P1 a o3 R
在驱动环节的设计中，除了驱动的峰值电流外，电流的有效值也是需要关注的重要参数之一。前者决定是否能有效地驱动特定型号的IGBT,后者决定其发热或者温升是否能满足设计要求。下图给出的是FF1200R17KE3门极电流电压的测试波形。测试的配置如下
) S% ^: s, ^; x1 F
, u% b( ?' E3 t% R$ u; e* B4 \Rg,on=1.3ohm
7 ` a' _, X. \8 Y: _/ F7 r9 E7 m
! r. w6 m1 {4 l8 ~; @7 P9 Q0 URg,off=1.4ohm
& ^- m9 m7 O$ T0 X
2 ] {) _8 r$ R1 TVge=+/-15v
, K5 @' b. \7 L$ r. B& E' G1 g0 h5 T k
) ~2 m9 \: v0 @/ ^4 b- g! E7 b2 {6 s: K% A
依据上述公式可以计算得到Ipeak=7.66A，测试值与计算值基本接近。$ u% A/ V! `! F; P1 g& V
* |. W" `: \. h- b, V3 w; W. q
查器件FF1200R17KE3的数据手册可知Qg=14uc，Rgint=1.6ohm。5 J8 g' U1 V3 ^6 d3 T
: I# i: ]3 `. {% f" {( O
把门极的电流波形近视为三角波，三角波的持续时间可以用下面公式简化计算
9 t! S7 |7 p% j8 i& k8 O9 r
7 J$ O& C0 S+ `& Y1 X: ^3 z% w9 V. p
5 \3 F, l: O# O* ]: v
设器件的开关频率为2.5kHz，一个开关周期的时间T=400us,驱动电流的有效值可以用下面的式子计算得到
% B7 z- `6 C" F2 N* T( e( ^# i* i' ]. g# d/ {( P1 T( R
z5 h8 a8 C8 K6 X/ L/ R
依据该电流值查推挽输出三极管的特性曲线得到三极管的损耗，用于计算三极管的温升是否满足运行要求。7 b$ S0 B! b- z4 [+ T6 h
0 z; |4 e f; Q
04$ W' F; H, \- K6 @+ K! h
6 u2 v& e1 V/ G; G3 D
小结
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% N9 g3 a* m: j2 }/ s4 c本文简要介绍了IGBT驱动环节设计中门极峰值电流的计算以及使用三极管推挽输出环节的一般计算过程，最后结合实际应用考虑三极管的发热温升。
$ u/ z% l8 M. P+ E0 {+ W4 M. j( Q2 _1 c, l: a
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发表于 2021-6-23 09:56
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