我们的 IGBT 栅极驱动器电源是否经过优化？- 第2部分

在本系列的第 1 部分中，我们讨论了如何正确选择 IGBT 的控制电压。这一次，我们将了解有关隔离要求以及如何计算正确的IGBT 驱动功率的更多信息。

对于任何工业电机驱动，必须确保输入电路（低压）和输出电路（高压）的电位分离。低压侧与控制电子设备接口，而高压侧连接到 IGBT。隔离是必要的，因为上部 IGBT 的发射极电位在直流母线的 DC+ 和 DC- 电位之间切换，其范围可以在数百或数千伏之间。根据应用，必须遵守相应的电气间隙和爬电距离标准以及符合测试电压。观察到的一些典型标准是：IEC60664-1、IEC60664-3、IEC61800-5-1 和 EN50124-1。

IGBT驱动器STGAP2HD 和SiC MOSFET驱动器STGAP2SICD 利用意法半导体最新的电隔离技术,采用SO-36W 宽体封装,能够耐受6kV瞬变电压。此外,±100V/ns dv/dt 瞬变耐量可防止在高电噪声工况下发生杂散导通现象。这两款驱动器都提供最高4A的栅极控制信号,双输出引脚为栅极驱动带来更多灵活性,支持开通和关断时间单独调整。有源米勒钳位功能可防止栅极在半桥拓扑快速换向过程中出现尖峰电压。

电路保护功能包括过热保护、安全操作看门狗,每个通道都有欠压锁定 (UVLO)机制,防止驱动器在危险的低效模式下启动。按照 SiC MOSFET的技术要求,STGAP2SICD 提高了 UVLO的阈值电压,以优化晶体管的能效。

每款器件都有一个在双低边不对称半桥应用中同时开通两个通道的iLOCK 引脚和防止在传统的半桥电路中出现直通电流的互锁保护机制。这两款驱动器在高压轨上的额定电压都达到 1200V,输入到输出传播时间为 75ns,PWM控制精度很高。

意法半导体的新双通道电流隔离栅极驱动器具有专用的关断引脚和制动引脚,以及待机省电引脚,目标应用包括电源、电机、变频器、焊机和充电器。此外,输入引脚兼容最低3.3V的TTL和 CMOS 逻辑信号,以简化驱动器与主微控制器或DSP处理器的连接。

在最简单的情况下，仅将半桥的上部 IGBT 与下部 IGBT 分开可能就足够了。如果微控制器也参考直流电势，这通常是可能的。根据应用，建议或要求随后分离与用户界面的互连。这主要是为了对噪声和共模接地效应进行基本隔离。在大功率应用中，每个 IGBT 都进行隔离，每个驱动器都有自己的电源，如图 1所示。

图 1. 具有隔离栅极驱动的三相逆变器（注：所有栅极驱动器均由单独的隔离电源供电）

如图 2所示，对于发射极处于 DC 电位的开关，电源的复杂性可以得到简化。

图 2. 具有隔离栅极驱动的三相逆变器（注：较低的栅极驱动器由公共电源供电）

现在，让我们学习如何计算 IGBT 需要多少栅极驱动功率。在驱动 IGBT 时，两个栅极电压电平之间的转换需要在栅极驱动器、栅极电阻器和 IGBT 之间的环路中消耗一定量的功率。这个数字通常称为“驱动功率 - P DRV”。” 该驱动功率由栅极电荷 Q Gate、开关频率 f IN和实际驱动器输出电压摆幅 ΔV Gate计算得出：

P DRV = Q Gate * f IN * ΔV Gate

如果存在外部电容器 C GE（辅助栅极电容器），则栅极驱动器还需要对该电容器进行充电和放电，如图 3所示。

图 3. 具有用于计算栅极功率的栅极驱动电路的 IGBT

只要 C GE在一个周期内完全充电和放电，R GE的值就不会影响所需的驱动功率。所需的驱动功率变为：

P DRV = (Q Gate * f IN * ΔV Gate ) + (C GE * f IN * ΔV GATE 2 )

应该注意的是，只要开关转换从完全开启到完全关闭再返回，驱动功率不取决于栅极电阻的值或占空比。此外，这些等式在非谐振栅极驱动中也是正确的。这是 IGBT 所需的总驱动功率，但驱动 IGBT 的栅极驱动器也会消耗一些功率。应该添加此功耗以获得栅极驱动功率的最终值。

P DRV = (Q Gate * f IN * ΔV Gate ) + (C GE * f IN * ΔV GATE 2 ) + P driver

这是否涵盖了优化 IGBT 栅极驱动器所需的知识？你还想学什么？