基于Simplorer驅動電阻對IGBT特性影響研究

鄧　堅， 汪　正， 謝長君， 全書海

(武漢理工大學自動化學院， 湖北 武漢 430070)

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基于Simplorer驅動電阻對IGBT特性影響研究

鄧堅， 汪正， 謝長君， 全書海

(武漢理工大學自動化學院， 湖北 武漢 430070)

驅動電阻對IGBT特性有直接關系，針對大多數仿真軟件對IGBT模型的建立不夠準確，采用Ansys公司的Simplorer對IGBT進行參數化建模，并用雙脈沖測試方法來對IGBT搭建外圍電路。重點分析柵極驅動電阻對IGBT的電壓變化率和通斷延時的關系，分析表明驅動電阻與IGBT電壓變化率和開通延時時間的關系成線性關系。對驅動電阻阻值不同的驅動電路對IGBT進行仿真，仿真結果符合理論推導。因此，選擇大小恰當的驅動電阻對IGBT使用具有一定工程意義。

絕緣柵雙極晶體管；雙脈沖測試；驅動電阻

絕緣柵雙極晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是GTO(Giant Transistor)和MOSFET二者通過適當結合而成的復合器件，由于自身優異的性能，IGBT自1986年就得到廣泛的應用，尤其適用于電壓為600V以上，要求大電流的電力電子應用領域。但IGBT的動態特性直接影響到所設計電路的穩定態和動態性能，因此研究IGBT的動態特性對于開關電源設計具有重要的價值[1]。

IGBT主要參數從廠家提供的規格說明書中獲得，比如電壓上升、下降時間、開斷損耗等，但是提供的參數往往是廠家在特定的條件下測的部分數據，不能滿足實際運行中的要求。其中，驅動電阻的選擇對IGBT工作特性有直接的作用。文獻[2]提出變電阻開斷方法，采用兩級變電阻或三級變電阻開通、關斷，有一定的工程實用價值。國外學者Yanick Lobsiger對IGBT的du/dt和di/dt進行檢測形成閉環控制來決定驅動電阻，但對IGBT的非線性寄生參數的考慮不夠[3]。

本文基于英飛凌的一款中壓IGBT為例進行分析，采用雙脈沖測試法對IGBT測試，分析IGBT驅動的驅動電阻對IGBT電壓變壓濾的影響。同時針對傳統Matlab/Simulink仿真模型不夠精細，結合英飛凌公司提供的IGBT規格說明書，利用軟件Simplorer中參數化建模對這款IGBT準確建模，最后采用雙脈沖方法來仿真試驗。

1　基于Simplorer參數化建IGBT模型

本文選用英飛凌 ( Infineon ) 的型號為FF450R12KT4，450 A/1200 V的大功率IGBT模塊。IGBT模塊由兩個IGBT組成，每個IGBT模塊上有反并聯二極管。傳統的仿真軟件只有IGBT系統級的模型，對于IGBT元件級的模型不夠準確，無法跟實際相匹配，仿真效果不理想，需要專門來對IGBT建模。

Simplorer軟件提供三種不同的IGBT模型：平均IGBT模型、基本動態IGBT模型(圖1)和高級動態IGBT模型。前一種屬于系統級的模型，后面兩種屬于器件級的仿真，包含精細的動態特性。本文選用基礎動態特性來研究IGBT，因為針對本文的研究，基礎級動態特性比較簡單，準確度可以滿足要求。自帶IGBT建模工具，只需要填入IGBT關鍵參數。通過這種基于參數化建模的12個步驟就可以建立滿足特定要求的模型，即對照英飛凌公司的規格說明書[9]結合用特性設置工具，填入相匹配的參數。在設置過程中，需要設置的參數主要有：額定電壓、額定電流、開通電壓、關斷電壓、傳輸特性曲線、輸出特性曲線、二極管正向偏壓特性等。具體的設置過程，軟件幫助文件[10]中有比較詳細的講解，這里就不做過多講解。IGBT模型完成后，可以為試驗提供良好的仿真模型。

圖 1　Simplorer中等效基礎級IGBT模型

2　雙脈沖測試原理及驅動電阻對IGBT影響分析

使用IGBT離不開驅動電阻，研究導通和關斷過程中驅動電阻大小對電流電壓變化的影響，對研究IGBT具有重要意義。先分析IGBT測試方法的原理，再對測試電路中驅動電阻進行分析。

2.1雙脈沖測試原理分析

IGBT 動態特性測試方法通常分為單脈沖和雙脈沖測試兩種方法，而單脈沖實驗沒有檢測二極管反向恢復過程的，只能測試到IGBT的關斷過程，因此雙脈沖實驗比單脈沖實驗效果真實，在IGBT動態特性測試中得到更多應用。

IGBT雙脈沖測試方法原理及測試波形見圖2。工作過程主要分兩個導通和關斷：在時刻0，第一個脈沖上升沿，下管IGBT飽和導通，對電感充電，電感電流直線上升；在時刻1，第一脈沖結束，電感通過IGBT上管的反并聯二極管續流，下管IGBT關斷；在時刻2，在第二個脈沖上升沿到來，下管IGBT再次導通，上管的反并聯二極管反向恢復截止；在時刻3，第二個脈沖結束，信號來臨，此時電流較大，同時由于母線雜散電感的存在，IGBT兩端會有一定的電壓尖峰。

圖 2　雙脈沖測試原理和波形圖

2.2驅動電阻對IGBT特性的影響

IGBT 的開通和關斷是由柵極電壓控制的，分別工作于飽和區和截止區。當柵壓大于閾值電壓時(即Vge>Vth),IGBT導通產生電子流，集電極電流Ic隨著柵極電壓的增加而線性上升。當柵壓施加負偏壓(即Vge<0

(1)

式中：Ic為IGBT導通電流，UGE為IGBT導通壓降，gfs為IGBT的跨導，Rg為柵極總電阻，Cgc為柵極和集電極之間電容。而柵極總電阻Rg可以表示為：

Rg=Rdriver+RGon/off+RGint

(2)

可以看出，IGBT柵極總電阻是由外部驅動電阻、內部開通/關斷電阻和內部柵極電阻決定，但IGBT自身電阻是無法改變的，只能通過改變外部驅動電阻來調節IGBT開端特性。從式(1)中可以看出，柵極電阻增加，du/dt下降，即柵極電阻對du/dt具有抑制作用。而半橋的死區時間跟驅動電阻存在下面的關系：

(3)

從上式可以看出，死區時間是跟驅動電阻成線性關系。驅動電阻Rgon對IGBT開通時，限制開通電流大小，這也會造成啟動IGBT造成延時，同時導通存在米勒效應，先需要對柵極和集極之間的電容充電，加大延時時間。驅動電阻Rgoff是限制關斷IGBT時的關斷電流，但由于關斷階段不存在米勒效應，電流區別不大的情況下，柵極負電壓很快加到IGBT門極和發射極之間，故關斷延時時間跟驅動電阻大小不成正比例關系。所以，IGBT的導通延時時間與驅動電阻有明顯的關系，而關斷時間延時與驅動電阻關系卻并不明顯。

3　仿真驗證及分析

雙脈沖仿真電路見圖3，上管柵極和發射極之間電壓為零，保持截止狀態，只用上管自帶的反并聯二極管。驅動模塊是采用軟件中的C語言編程模塊，程序部分代碼如圖4，通過建立驅動模塊，可以很方便地更改驅動開通和關斷電阻等參數，程序能夠更準確地對電路進行仿真實驗。

圖 3　Simplorer中仿真電路

圖 4　仿真驅動電路程序部分代碼

在仿真電路中，通過柵極驅動模塊Gate_Control產生兩個PWM脈沖，模塊中可以直接修改驅動開通電阻、關斷電阻、驅動開通電壓、外部柵極電容等。IGBT柵極驅動電壓波形和開通時仿真Vce和Ic波形見圖5、6。

圖 5　柵極驅動電壓

圖 6　Vce和Ic波形

驅動電阻從左到右依次增大，可以觀察出驅動電壓隨著柵極電阻的增大而增加，但上升變慢。在驅動電阻等于零時，驅動電壓會超出+15 V，這樣是不安全的，所以不推薦采用零驅動電阻。IGBT的集射極電壓和集電極電流波形圖可得出，驅動電阻越大，電壓和電流的上升和下降時間越長，IGBT動態性能越差，同時，驅動電阻大有利于限制啟動過程中出現過電流，在實際電路中會觸發電流保護。

表1中，IGBT的導通延時時間的區別主要是IGBT導通階段，且導通延時時間與關斷階段的延時區別并不大，而延時時間越長帶來的導通損耗也越大。

表1　IGBT損耗和延時時間

對IGBT性能測試搭建仿真平臺，采用雙脈沖測試方法來測試IGBT實際工作中的集射極電壓和驅動波形。

圖 7　Ron=1.5Ω開關管關斷和閉合波形

從圖7中可以看出，相同驅動電阻的情況下，開關管閉合延時時間比關斷的時間長，同時，閉合驅動的延時也長些，有效地驗證了仿真的合理性。但由于實際驅動電路中存在寄生電感、電感漏磁等原因，也加大了開關管的導通和關斷時間，需在實際運用中考慮這些寄生參數對IGBT的不利影響。

4　結論

通過對IGBT建立外部測試電路，并分析測試原理，再分析驅動電阻與IGBT特性的關系，最后通過仿真驗證分析的合理性，實驗驗證仿真結果。IGBT寄生參數多，而且受使用環境的影響大，在實際運用中需具體分析才能更好地設計相應的驅動電路。

[1]王兆安，黃俊 .電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2000:21-42.

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[5]柳丹, 劉鈞,孟金磊. 電動汽車用IGBT模塊損耗分析方法[J]. 電力電子技術, 2013(8): 74-76.

[6]李鵬, 高壓大功率IGBT測試平臺的研制及相關問題研究[D].杭州：浙江大學圖書館， 2012:67.

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[8]蔣玉想， 李征. 基于雙脈沖的IGBT及驅動電路測試方法[J]. 電子技術, 2012(07): 78-80.

[9]Infineon Ltd. FF450R12KT4 datasheets[EB/OL].[2016-03-21] Information available at www.infineon.com.

[10] Ansys Ltd. Simplorer 11 manual datasheets[EB/OL]. [2016-03-21]Information available at www.ansys.com.

[責任編校： 張巖芳]

An Analysis of the Effects of Driving Resistance on IGBT Based on Simplorer

DENG Jian, WANG Zheng, XIE Changjun, QUAN Shuhai

(SchoolofAutomation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan, 430070,China)

There is a direct relationship between driving resistance and the characteristics of IGBT. In light of the inaccuracy of the establishment of the IGBT model by most simulation software, this study makes use of Simplorer of Ansys company to achieve parameterized modelling of IGBT, and uses the method of the double pulse test to build peripheral circuits. The relationship between the voltage change rate and the on-off time delay of IGBT is analyzed, which reveals that the relationship between them is linear. The IGBT is tested through different driving resistances, and the test results concur with theoretical analysis. Therefore, the appropriate drive resistance for IGBT has certain engineering significance.

IGBT; double pulse test; driving resistance

2016-03-26

國家自然科學基金資助項目(51477125)；國家重點基礎研究發展計劃 (973計劃) (NO.2013CB632505)；湖北省科技支撐計劃項目(2014BEC074)

鄧堅(1964-)， 男， 湖北武漢人，武漢理工大學副教授，研究方向為燃料電池電動汽車控制技術，磁力軸承控制系統工程

汪正(1986-) ，男，湖北，武漢理工大學碩士研究生，研究方向為現代電源技術

1003-4684(2016)04-0053-04

TN386.2

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