驱动方式对逆变器损耗的影响

驱动方式对逆变器损耗的影响

张旭洪川海

（广州电力设计院有限公司广东广州510610）

摘要：作为逆变器中的功率元件，IGBT的损耗是影响逆变器效率的重要因素。而不同的驱动方式对于IGBT的静态特性以及动态特性都有着重要的影响，一旦驱动方式选择不合适，开通时间与关断时间将延迟，功率损耗将大幅度增加。IGBT的开关时间、开关损耗、dv/dt、di/dt、反向偏置安全运行区域、短路电流安全运行区域、EMI以及续流二极管反向恢复电流都要受栅极驱动电阻的影响。本文将从IGBT的驱动电阻入手，通过双脉冲实验，就驱动方式对于逆变器损耗的影响进行研究和验证。

关键词：逆变器；IGBT；损耗；驱动方式；双脉冲实验

一、双脉冲实验介绍

图1-2双脉冲驱动信号和电压电流示意图

如图1-1所示为双脉冲实验的原理图，将一个+15V电源并联在上管IGBT晶体管栅极和发射极的两端，确保上管晶体管IGBT是处于关断状态的，因此该电路实际上是一个Boost升压电路，双脉冲实验的实验原理如下：

在实验开始之前，首先给母线的电解电容进行充电。这时候确保KM2是处于断开状态的，然后再闭合KM1，使预先设定了电压值的电源E通过电阻R为母线电容充电，这里电阻R的作用是为了避免充电速度过快损坏电路。等到母线电容的电压达到预定值时，断开KM1，此时充电完成。在接下来的整个测试过程中，母线电容为整个测试电路来提供能量。由于在测试的过程中各个元件所消耗的能量极少，因此可以认为母线电压恒定不变。实验结束之后，需要对母线电解电容进行放电措施。先使KM1处于断开状态，再闭合KM2，这样做可使能量通过电阻R释放掉。

在双脉冲实验过程中，如图1-2所示为驱动信号和电压电流示意图，栅极驱动发出两个脉宽可调的脉冲。t1时刻栅极驱动发出第一个脉冲，下管IGBT导通，母线电压就加到电感L上，电流Ic就随着开通时间而线性地增加，所以可以根据自己所需要的电流值来设定脉冲开通的总时间。t2时刻第一次脉冲结束，下管IGBT关断，电感L上的电流由上管二极管续流，如图中的虚线所示。t3时刻栅极驱动发出第二个脉冲，下管IGBT第二次导通，由于上管二极管的反向恢复电流的叠加，通过下管的电流Ic就会形成一个尖峰。t4时刻第二次脉冲结束，下管IGBT第二次关断，由于母线存在有杂散电感，就导致下管会出现一个电压尖峰。

用双脉冲而不用单脉冲来测试，是因为单脉冲无法测到二极管反向恢复过程，并且双脉冲测试可以通过调节脉宽来控制开关频率，避免IGBT因过热而损坏。

二仿真分析

1引言

在仿真软件中搭建了双脉冲实验的仿真模型，分别更换不同的开通驱动电阻以及关断驱动电阻，观察IGBT下管的集射极电压Uce和集电极电流Ic，从而找到驱动方式对逆变器损耗的影响。

2仿真结果与分析

由图2-1和图2-2可知，在开通时，驱动电阻越小，IGBT开通响应越快，持续时间越短，开通过程中产生电流尖峰越大，对元件冲击也越大，不利于元件安全使用。由图2-3可知，驱动电阻为5Ω、10Ω和15Ω时，开通损耗分别为9mJ、14mJ和20mJ，可见驱动电阻越小，开通损耗越小。

由图2-4和图2-5可知关断时，驱动电阻越小，IGBT关断过程响应越快，持续时间越短，关断过程中产生电压尖峰越大，对元件冲击也越大，不利于元件的安全工作。图2-6可知，驱动电阻为3.3Ω、5.6Ω和10Ω时，关断损耗分别为3mJ、4.5mJ和6mJ，可见驱动电阻越小，关断损耗越小。

三物理实验

1实验平台介绍

实验装置中直流母线电压通过可控整流器得到，驱动板型号为SEMIKROM公司的SKYPER32PROR，发出的双脉冲信号是通过DSP28335软件编程控制驱动板产生，脉宽可通过编程调节。IGBT为英飞凌公司的FF450R12KT4，额定电压和电流为1200V/450A。开关KM1和KM2采用施耐德公司C65H-DC直流断路器，直流母线电容C为240μF，续流电感L为0.5mH。测试仪器为泰克TPS2014B四通道示波器，测试探头为高压差分探头HP9258以及Fluke电流钳。

图3-4关断过程的能量损耗

图3-3和图3-4分别描述的是经过处理之后得到的IGBT开通和关断过程中的能量损耗。从图中可以看出，驱动电阻为5Ω、10Ω和15Ω时，开通损耗分别13mJ、17mJ和23mJ；驱动电阻分别为3.3Ω、5.6Ω和10Ω时，关断损耗分别为4.5mJ、6mJ和8.5mJ。可见当驱动电阻越小的时候，开通损耗越小，关断损耗也越小。由此也验证了仿真中结论的正确性。四、结语

本文研究了逆变器功率开关IGBT驱动方式对于逆变器损耗的影响，通过双脉冲实验分析了不同驱动电阻对于IGBT开关损耗的影响。得到了以下结论：

（1）IGBT的开通过程受驱动电阻影响较大，而关断过程受到影响小一些；

（2）小驱动电阻可以提高开关速度，降低开关损耗，但驱动电阻过小会形成较大的电流和电压尖峰，因此对驱动电阻阻值的选取要根据具体情况更全面考虑；

（3）驱动电阻影响驱动脉冲的波形：驱动电阻过小会产生脉冲振荡，驱动电阻过大会让驱动脉冲延迟、变缓。

参考文献：

[1]王方，党怀东，杨有涛，等.一种用于大功率IGBT的驱动电路[J].电气传动自动化，2010，32（1）：27-30.

[2]蒋玉想，李征.基于双脉冲的IGBT及驱动电路测试方法[J].电子技术，2012（7）：78-80.

[3]钟再敏，徐旭.车用IGBT模块及其驱动电路双脉冲实验[J].《电力电子技术》，2017（2）：103-106

作者简介：

张旭（1988年3月生），男，系统助理设计师，硕士，研究方向为电力系统规划、新能源。