基于最小损耗的IGBT驱动最优设计方法

陈 申，朱选才，徐飞冬，翁炳文，吴梦胜（台达电子企业管理（上海）有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310051）

0 引 言

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）被广泛应用于电力电子功率变换器中，如AC/DC整流器[1]、DC/DC变换器[2]、DC/AC逆变器[3]和AC/AC变频器[4]等。

IGBT驱动对功率变换器的性能及可靠性均有决定性影响[5]。它的设计包括驱动器、驱动电阻和缓冲电容。IGBT电流越大，驱动功率越大。驱动器设计主要是保证驱动功率满足要求。驱动电阻和缓冲电容设计是保证IGBT的电气应力在安全工作区内。

针对已有的IGBT驱动设计并没有实现最优设计的问题，本文提出了一种最小损耗的最优设计方法。该方法包含可行性设计、建立目标函数、建立约束条件和最优解求解4个步骤。

1 基于最小损耗的IGBT驱动最优设计方法

研究假定设计人员已经选定驱动器型号和吸收电容，在此基础上完成驱动电阻（包括开通电阻Rg_on和关断电阻Rg_off）的最优设计。先根据经验公式完成可行性设计，以此作为最优设计的初始状态。然后，以IGBT损耗为目标函数，以开通电阻、关断电阻为优化变量，以器件安全工作区为约束条件，通过求解最小损耗获得最优驱动参数。

1.1 可行性设计

可行性设计主要依赖IGBT制造商提供的数据手册或应用手册。不同制造商给出的参考设计不同。比如，三菱的IGBT模块驱动电阻（包括开通电阻Rg_on和关断电阻Rg_off）的参考设计为：

式中：k为设计系数，一般取为3～5；Rg_min为IGBT数据手册中给出的最小驱动电阻值。

可行性设计主要是依赖资料或设计人员经验，一般会将开通电阻和关断电阻设计为相同值。

1.2 建立目标函数

完成可行性设计后，需要建立最优设计的目标函数，这里以IGBT总损耗作为目标函数。IGBT总损耗主要包含开通损耗（反向恢复损耗合并到该损耗中）、关断损耗、导通损耗和驱动损耗。

1.2.1 IGBT开通损耗

开通损耗可以表示为开通能量Eon乘以开关频率fsw。根据IGBT数据手册和实际测量结果，开通能量Eon仅和开通电阻有关，近似呈二阶关系。

式中，aon、bon和con为开通能量系数。

1.2.2 IGBT关断损耗

关断损耗可以表示为关断能量Eoff乘以开关频率fsw。根据IGBT数据手册和实际测量结果，关断能量Eoff仅和关断电阻有关，近似呈一阶关系。

式中，koff和boff为关断能量系数。

1.2.3 IGBT导通损耗

导通损耗主要受导通压降、工作电流和开关频率影响。

式中：D为设定占空比；Vcond为IGBT饱和压降，这里只考虑驱动电压的影响。

1.2.4 驱动损耗

驱动损耗包括开通驱动损耗和关断驱动损耗。

式中，Qg为门极电荷量，ton和toff分别为开通时间和关断时间。

1.2.5 总损耗

总损耗可以表示为：

1.3 建立约束条件

电气应力不得超过其安全工作区。电气应力包括电压应力Vce_pk（即IGBT关断峰值电压）和电流应力Ic_pk（即IGBT开通时的重复峰值电流）。

式中，kv、bv、ki和bi分别为电压应力和电流应力的拟合参数，因此约束条件可以表示为：

式中，Icm和Vcem分别为IGBT所能承受的峰值电流和峰值电压。

1.4 最优解求解

设非线性规划PIGBT(X)，求：

2 实验与分析

以10 kV级三相联型高压变频器为应用实例，该变频器的每相采用5个功率单元级联而成，15个功率单元分别接到移相变压器的15个二次绕组上。

2.1 可行性设计

IGBT模块为BSM300GA170DLC，其数据手册中给出的最小驱动电阻为5 Ω。根据式（1），它的驱动电阻设计值应落在[15 Ω，25 Ω]。这里考虑折中设计，选择开通驱动电阻和关断驱动电阻均为20 Ω。

2.2 IGBT开关特性测试及参数提取

双脉冲测试是IGBT驱动测试的典型方法[6]，原理是通过发送两个连续的短脉冲分别测试IGBT在给定工作电压和工作电流下的开通和关断特性。

图1为本文的双脉冲测试波形，Vdc=1 000 V，Idc=120 A。通道1（CH1）为开关管两端电压，档位为200 V/格；通道2（CH2）为驱动电压，档位为10 V/格；通道4（CH4）为开关电流，档位为50 A/格。实验中选取10个电阻值分别进行双脉冲测试，得到不同驱动电阻下的开通能量、关断能量、电压应力和电流应力等数据，并进行拟合和参数提取，结果输出到最优设计求解单元。

图1 双脉冲实验波形

2.3 优化设计结果及对比分析

在Matlab中编程实现最优解求解，求解结果如表1所示。可行设计的Rg_on和Rg_off均为20 Ω，而优化后的Rg_on和Rg_off均为5 Ω。优化前后总损耗分别为410.4 W和298.2 W，降低了27.3%。

2.4 整机实验及效率对比分析

将功率单元样机装配在满载测试平台上（如图2所示）进行低功耗满载测试。图3为被测功率单元满载（200 A电流输出）实验波形（通过录波仪DL850记录）。通道1（CH1）为功率单元输出电压，档位为250 V/格；通道2（CH2）为功率单元直流母线电压，档位为125 V/格；通道3（CH3）为母线支撑电容的电流，档位为50 A/格；通道4（CH4）为功率单元输出电流，档位为50 A/格。最后，进行驱动优化前后满载效率的对比实验。驱动优化前，实测总损耗为1 673 W，满载效率为98.8%。驱动优化后，实测总损耗为1 482W，满载效率为98.94%，满载效率提高了0.14%。

表1 可行设计与最优设计驱动参数对比

图2 满载测试平台

图3 满载实验波形

3 结 论

本文提出了一种基于最小损耗的IGBT驱动最优设计方法，共包含可行性设计、建立目标函数、建立约束条件和最优解求解4个步骤。实际使用时，通过双脉冲测试获得IGBT的开关数据，从而拟合得到IGBT的开关特性，将该特性输入本文提出的模型，即可完成IGBT驱动的最优设计，在IGBT的安全工作区内将IGBT总损耗控制到最小。