基于最小損耗的IGBT驅(qū)動(dòng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法

陳 申，朱選才，徐飛冬，翁炳文，吳夢(mèng)勝（臺(tái)達(dá)電子企業(yè)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(yīng)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(qū)動(dòng)對(duì)功率變換器的性能及可靠性均有決定性影響[5]。它的設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電阻和緩沖電容。IGBT電流越大，驅(qū)動(dòng)功率越大。驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)主要是保證驅(qū)動(dòng)功率滿足要求。驅(qū)動(dòng)電阻和緩沖電容設(shè)計(jì)是保證IGBT的電氣應(yīng)力在安全工作區(qū)內(nèi)。

針對(duì)已有的IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，本文提出了一種最小損耗的最優(yōu)設(shè)計(jì)方法。該方法包含可行性設(shè)計(jì)、建立目標(biāo)函數(shù)、建立約束條件和最優(yōu)解求解4個(gè)步驟。

1 基于最小損耗的IGBT驅(qū)動(dòng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法

研究假定設(shè)計(jì)人員已經(jīng)選定驅(qū)動(dòng)器型號(hào)和吸收電容，在此基礎(chǔ)上完成驅(qū)動(dòng)電阻（包括開(kāi)通電阻Rg_on和關(guān)斷電阻Rg_off）的最優(yōu)設(shè)計(jì)。先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式完成可行性設(shè)計(jì)，以此作為最優(yōu)設(shè)計(jì)的初始狀態(tài)。然后，以IGBT損耗為目標(biāo)函數(shù)，以開(kāi)通電阻、關(guān)斷電阻為優(yōu)化變量，以器件安全工作區(qū)為約束條件，通過(guò)求解最小損耗獲得最優(yōu)驅(qū)動(dòng)參數(shù)。

1.1 可行性設(shè)計(jì)

可行性設(shè)計(jì)主要依賴IGBT制造商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)或應(yīng)用手冊(cè)。不同制造商給出的參考設(shè)計(jì)不同。比如，三菱的IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電阻（包括開(kāi)通電阻Rg_on和關(guān)斷電阻Rg_off）的參考設(shè)計(jì)為：

式中：k為設(shè)計(jì)系數(shù)，一般取為3～5；Rg_min為IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的最小驅(qū)動(dòng)電阻值。

可行性設(shè)計(jì)主要是依賴資料或設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，一般會(huì)將開(kāi)通電阻和關(guān)斷電阻設(shè)計(jì)為相同值。

1.2 建立目標(biāo)函數(shù)

完成可行性設(shè)計(jì)后，需要建立最優(yōu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，這里以IGBT總損耗作為目標(biāo)函數(shù)。IGBT總損耗主要包含開(kāi)通損耗（反向恢復(fù)損耗合并到該損耗中）、關(guān)斷損耗、導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。

1.2.1 IGBT開(kāi)通損耗

開(kāi)通損耗可以表示為開(kāi)通能量Eon乘以開(kāi)關(guān)頻率fsw。根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際測(cè)量結(jié)果，開(kāi)通能量Eon僅和開(kāi)通電阻有關(guān)，近似呈二階關(guān)系。

式中，aon、bon和con為開(kāi)通能量系數(shù)。

1.2.2 IGBT關(guān)斷損耗

關(guān)斷損耗可以表示為關(guān)斷能量Eoff乘以開(kāi)關(guān)頻率fsw。根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際測(cè)量結(jié)果，關(guān)斷能量Eoff僅和關(guān)斷電阻有關(guān)，近似呈一階關(guān)系。

式中，koff和boff為關(guān)斷能量系數(shù)。

1.2.3 IGBT導(dǎo)通損耗

導(dǎo)通損耗主要受導(dǎo)通壓降、工作電流和開(kāi)關(guān)頻率影響。

式中：D為設(shè)定占空比；Vcond為IGBT飽和壓降，這里只考慮驅(qū)動(dòng)電壓的影響。

1.2.4 驅(qū)動(dòng)損耗

驅(qū)動(dòng)損耗包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)損耗和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)損耗。

式中，Qg為門極電荷量，ton和toff分別為開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)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(yīng)力不得超過(guò)其安全工作區(qū)。電氣應(yīng)力包括電壓應(yīng)力Vce_pk（即IGBT關(guān)斷峰值電壓）和電流應(yīng)力Ic_pk（即IGBT開(kāi)通時(shí)的重復(fù)峰值電流）。

式中，kv、bv、ki和bi分別為電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力的擬合參數(shù)，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(yōu)解求解

設(shè)非線性規(guī)劃PIGBT(X)，求：

2 實(shí)驗(yàn)與分析

以10 kV級(jí)三相聯(lián)型高壓變頻器為應(yīng)用實(shí)例，該變頻器的每相采用5個(gè)功率單元級(jí)聯(lián)而成，15個(gè)功率單元分別接到移相變壓器的15個(gè)二次繞組上。

2.1 可行性設(shè)計(jì)

IGBT模塊為BSM300GA170DLC，其數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的最小驅(qū)動(dòng)電阻為5 Ω。根據(jù)式（1），它的驅(qū)動(dòng)電阻設(shè)計(jì)值應(yīng)落在[15 Ω，25 Ω]。這里考慮折中設(shè)計(jì)，選擇開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電阻和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電阻均為20 Ω。

2.2 IGBT開(kāi)關(guān)特性測(cè)試及參數(shù)提取

雙脈沖測(cè)試是IGBT驅(qū)動(dòng)測(cè)試的典型方法[6]，原理是通過(guò)發(fā)送兩個(gè)連續(xù)的短脈沖分別測(cè)試IGBT在給定工作電壓和工作電流下的開(kāi)通和關(guān)斷特性。

圖1為本文的雙脈沖測(cè)試波形，Vdc=1 000 V，Idc=120 A。通道1（CH1）為開(kāi)關(guān)管兩端電壓，檔位為200 V/格；通道2（CH2）為驅(qū)動(dòng)電壓，檔位為10 V/格；通道4（CH4）為開(kāi)關(guān)電流，檔位為50 A/格。實(shí)驗(yàn)中選取10個(gè)電阻值分別進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，得到不同驅(qū)動(dòng)電阻下的開(kāi)通能量、關(guān)斷能量、電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行擬合和參數(shù)提取，結(jié)果輸出到最優(yōu)設(shè)計(jì)求解單元。

圖1 雙脈沖實(shí)驗(yàn)波形

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果及對(duì)比分析

在Matlab中編程實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解求解，求解結(jié)果如表1所示?？尚性O(shè)計(jì)的Rg_on和Rg_off均為20 Ω，而優(yōu)化后的Rg_on和Rg_off均為5 Ω。優(yōu)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(jī)實(shí)驗(yàn)及效率對(duì)比分析

將功率單元樣機(jī)裝配在滿載測(cè)試平臺(tái)上（如圖2所示）進(jìn)行低功耗滿載測(cè)試。圖3為被測(cè)功率單元滿載（200 A電流輸出）實(shí)驗(yàn)波形（通過(guò)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)優(yōu)化前后滿載效率的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)優(yōu)化前，實(shí)測(cè)總損耗為1 673 W，滿載效率為98.8%。驅(qū)動(dòng)優(yōu)化后，實(shí)測(cè)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(shè)計(jì)與最優(yōu)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)比

圖2 滿載測(cè)試平臺(tái)

圖3 滿載實(shí)驗(yàn)波形

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于最小損耗的IGBT驅(qū)動(dòng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，共包含可行性設(shè)計(jì)、建立目標(biāo)函數(shù)、建立約束條件和最優(yōu)解求解4個(gè)步驟。實(shí)際使用時(shí)，通過(guò)雙脈沖測(cè)試獲得IGBT的開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)，從而擬合得到IGBT的開(kāi)關(guān)特性，將該特性輸入本文提出的模型，即可完成IGBT驅(qū)動(dòng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，在IGBT的安全工作區(qū)內(nèi)將IGBT總損耗控制到最小。