基于Simplorer驱动电阻对IGBT特性影响研究

邓　坚， 汪　正， 谢长君， 全书海

(武汉理工大学自动化学院， 湖北 武汉 430070)



基于Simplorer驱动电阻对IGBT特性影响研究

邓坚， 汪正， 谢长君， 全书海

(武汉理工大学自动化学院， 湖北 武汉 430070)

驱动电阻对IGBT特性有直接关系，针对大多数仿真软件对IGBT模型的建立不够准确，采用Ansys公司的Simplorer对IGBT进行参数化建模，并用双脉冲测试方法来对IGBT搭建外围电路。重点分析栅极驱动电阻对IGBT的电压变化率和通断延时的关系，分析表明驱动电阻与IGBT电压变化率和开通延时时间的关系成线性关系。对驱动电阻阻值不同的驱动电路对IGBT进行仿真，仿真结果符合理论推导。因此，选择大小恰当的驱动电阻对IGBT使用具有一定工程意义。

绝缘栅双极晶体管；双脉冲测试；驱动电阻

绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是GTO(Giant Transistor)和MOSFET二者通过适当结合而成的复合器件，由于自身优异的性能，IGBT自1986年就得到广泛的应用，尤其适用于电压为600V以上，要求大电流的电力电子应用领域。但IGBT的动态特性直接影响到所设计电路的稳定态和动态性能，因此研究IGBT的动态特性对于开关电源设计具有重要的价值[1]。

IGBT主要参数从厂家提供的规格说明书中获得，比如电压上升、下降时间、开断损耗等，但是提供的参数往往是厂家在特定的条件下测的部分数据，不能满足实际运行中的要求。其中，驱动电阻的选择对IGBT工作特性有直接的作用。文献[2]提出变电阻开断方法，采用两级变电阻或三级变电阻开通、关断，有一定的工程实用价值。国外学者Yanick Lobsiger对IGBT的du/dt和di/dt进行检测形成闭环控制来决定驱动电阻，但对IGBT的非线性寄生参数的考虑不够[3]。

本文基于英飞凌的一款中压IGBT为例进行分析，采用双脉冲测试法对IGBT测试，分析IGBT驱动的驱动电阻对IGBT电压变压滤的影响。同时针对传统Matlab/Simulink仿真模型不够精细，结合英飞凌公司提供的IGBT规格说明书，利用软件Simplorer中参数化建模对这款IGBT准确建模，最后采用双脉冲方法来仿真试验。

1　基于Simplorer参数化建IGBT模型

本文选用英飞凌 ( Infineon ) 的型号为FF450R12KT4，450 A/1200 V的大功率IGBT模块。IGBT模块由两个IGBT组成，每个IGBT模块上有反并联二极管。传统的仿真软件只有IGBT系统级的模型，对于IGBT元件级的模型不够准确，无法跟实际相匹配，仿真效果不理想，需要专门来对IGBT建模。

Simplorer软件提供三种不同的IGBT模型：平均IGBT模型、基本动态IGBT模型(图1)和高级动态IGBT模型。前一种属于系统级的模型，后面两种属于器件级的仿真，包含精细的动态特性。本文选用基础动态特性来研究IGBT，因为针对本文的研究，基础级动态特性比较简单，准确度可以满足要求。自带IGBT建模工具，只需要填入IGBT关键参数。通过这种基于参数化建模的12个步骤就可以建立满足特定要求的模型，即对照英飞凌公司的规格说明书[9]结合用特性设置工具，填入相匹配的参数。在设置过程中，需要设置的参数主要有：额定电压、额定电流、开通电压、关断电压、传输特性曲线、输出特性曲线、二极管正向偏压特性等。具体的设置过程，软件帮助文件[10]中有比较详细的讲解，这里就不做过多讲解。IGBT模型完成后，可以为试验提供良好的仿真模型。

图 1　Simplorer中等效基础级IGBT模型

2　双脉冲测试原理及驱动电阻对IGBT影响分析

使用IGBT离不开驱动电阻，研究导通和关断过程中驱动电阻大小对电流电压变化的影响，对研究IGBT具有重要意义。先分析IGBT测试方法的原理，再对测试电路中驱动电阻进行分析。

2.1双脉冲测试原理分析

IGBT 动态特性测试方法通常分为单脉冲和双脉冲测试两种方法，而单脉冲实验没有检测二极管反向恢复过程的，只能测试到IGBT的关断过程，因此双脉冲实验比单脉冲实验效果真实，在IGBT动态特性测试中得到更多应用。

IGBT双脉冲测试方法原理及测试波形见图2。工作过程主要分两个导通和关断：在时刻0，第一个脉冲上升沿，下管IGBT饱和导通，对电感充电，电感电流直线上升；在时刻1，第一脉冲结束，电感通过IGBT上管的反并联二极管续流，下管IGBT关断；在时刻2，在第二个脉冲上升沿到来，下管IGBT再次导通，上管的反并联二极管反向恢复截止；在时刻3，第二个脉冲结束，信号来临，此时电流较大，同时由于母线杂散电感的存在，IGBT两端会有一定的电压尖峰。

图 2　双脉冲测试原理和波形图

2.2驱动电阻对IGBT特性的影响

IGBT 的开通和关断是由栅极电压控制的，分别工作于饱和区和截止区。当栅压大于阈值电压时(即Vge>Vth),IGBT导通产生电子流，集电极电流Ic随着栅极电压的增加而线性上升。当栅压施加负偏压(即Vge<0

(1)

式中：Ic为IGBT导通电流，UGE为IGBT导通压降，gfs为IGBT的跨导，Rg为栅极总电阻，Cgc为栅极和集电极之间电容。而栅极总电阻Rg可以表示为：

Rg=Rdriver+RGon/off+RGint

(2)

可以看出，IGBT栅极总电阻是由外部驱动电阻、内部开通/关断电阻和内部栅极电阻决定，但IGBT自身电阻是无法改变的，只能通过改变外部驱动电阻来调节IGBT开端特性。从式(1)中可以看出，栅极电阻增加，du/dt下降，即栅极电阻对du/dt具有抑制作用。而半桥的死区时间跟驱动电阻存在下面的关系：

(3)

从上式可以看出，死区时间是跟驱动电阻成线性关系。驱动电阻Rgon对IGBT开通时，限制开通电流大小，这也会造成启动IGBT造成延时，同时导通存在米勒效应，先需要对栅极和集极之间的电容充电，加大延时时间。驱动电阻Rgoff是限制关断IGBT时的关断电流，但由于关断阶段不存在米勒效应，电流区别不大的情况下，栅极负电压很快加到IGBT门极和发射极之间，故关断延时时间跟驱动电阻大小不成正比例关系。所以，IGBT的导通延时时间与驱动电阻有明显的关系，而关断时间延时与驱动电阻关系却并不明显。

3　仿真验证及分析

双脉冲仿真电路见图3，上管栅极和发射极之间电压为零，保持截止状态，只用上管自带的反并联二极管。驱动模块是采用软件中的C语言编程模块，程序部分代码如图4，通过建立驱动模块，可以很方便地更改驱动开通和关断电阻等参数，程序能够更准确地对电路进行仿真实验。

图 3　Simplorer中仿真电路

图 4　仿真驱动电路程序部分代码

在仿真电路中，通过栅极驱动模块Gate_Control产生两个PWM脉冲，模块中可以直接修改驱动开通电阻、关断电阻、驱动开通电压、外部栅极电容等。IGBT栅极驱动电压波形和开通时仿真Vce和Ic波形见图5、6。

图 5　栅极驱动电压

图 6　Vce和Ic波形

驱动电阻从左到右依次增大，可以观察出驱动电压随着栅极电阻的增大而增加，但上升变慢。在驱动电阻等于零时，驱动电压会超出+15 V，这样是不安全的，所以不推荐采用零驱动电阻。IGBT的集射极电压和集电极电流波形图可得出，驱动电阻越大，电压和电流的上升和下降时间越长，IGBT动态性能越差，同时，驱动电阻大有利于限制启动过程中出现过电流，在实际电路中会触发电流保护。

表1中，IGBT的导通延时时间的区别主要是IGBT导通阶段，且导通延时时间与关断阶段的延时区别并不大，而延时时间越长带来的导通损耗也越大。

表1　IGBT损耗和延时时间

对IGBT性能测试搭建仿真平台，采用双脉冲测试方法来测试IGBT实际工作中的集射极电压和驱动波形。

图 7　Ron=1.5Ω开关管关断和闭合波形

从图7中可以看出，相同驱动电阻的情况下，开关管闭合延时时间比关断的时间长，同时，闭合驱动的延时也长些，有效地验证了仿真的合理性。但由于实际驱动电路中存在寄生电感、电感漏磁等原因，也加大了开关管的导通和关断时间，需在实际运用中考虑这些寄生参数对IGBT的不利影响。

4　结论

通过对IGBT建立外部测试电路，并分析测试原理，再分析驱动电阻与IGBT特性的关系，最后通过仿真验证分析的合理性，实验验证仿真结果。IGBT寄生参数多，而且受使用环境的影响大，在实际运用中需具体分析才能更好地设计相应的驱动电路。

[1]王兆安，黄俊 .电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000:21-42.

[2]李武杰, 程善美, 孙得金. IGBT变电阻开通策略的研究[J]. 电力电子技术, 2014(11): 70-72.

[3]Kolar J Y. Closed-Loop di/dt&dv/dt control and dead time minimization of IGBTs in bridge leg configuration[R]. Salt Lake City Salt Lake City, UT, USA, 2013.

[4]Frank W, Arens A. Hoerold S. Real-time adjustable gate current control IC solves dv/dt problems in electric drives[C]. Nuremberg (Germany)：VDE，2014.

[5]柳丹, 刘钧,孟金磊. 电动汽车用IGBT模块损耗分析方法[J]. 电力电子技术, 2013(8): 74-76.

[6]李鹏, 高压大功率IGBT测试平台的研制及相关问题研究[D].杭州：浙江大学图书馆， 2012:67.

[7]李立. 高压大功率IGBT动态参数测试仪的设计制作[D]. 北京： 北京工业大学， 2013:83.

[8]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(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.

[责任编校： 张岩芳]

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

国家自然科学基金资助项目(51477125)；国家重点基础研究发展计划 (973计划) (NO.2013CB632505)；湖北省科技支撑计划项目(2014BEC074)

邓坚(1964-)， 男， 湖北武汉人，武汉理工大学副教授，研究方向为燃料电池电动汽车控制技术，磁力轴承控制系统工程

汪正(1986-) ，男，湖北，武汉理工大学硕士研究生，研究方向为现代电源技术

1003-4684(2016)04-0053-04

TN386.2

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