楊磊 汪志 敬小勇

（1. 海軍92351部隊，三亞 572016；2. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 210000）

0 引言

絕緣柵雙極晶體管 IGBT是集功率晶體管GTR和功率場效應(yīng)管 MOSFET的優(yōu)點于一身，具有易于驅(qū)動、峰值電流容量大、自關(guān)斷、開關(guān)頻率高（10-40 kHz）的特點，近年來被廣泛應(yīng)用于高電壓、大功率場合。但是其在大容量的電能變換系統(tǒng)工作中隨著IGBT的超速開通和關(guān)斷，將在電路中產(chǎn)生高頻幅值很高而寬度很窄的di/dt。di/dt過大，在電路存在大的換向回路電感情況下，形成很高的尖峰電壓，有可能造成IGBT自身或電路中其他元器件因過電壓擊穿而損壞。應(yīng)用常規(guī)的過電壓吸收電路吸收不掉該尖峰電壓。為了解決上述問題，最近國外[2-3]提出了一種di/dt控制電路。在實際應(yīng)用過程中由于該控制電路外加電源太多，各節(jié)點電壓出現(xiàn)變化而導(dǎo)致電路中鏡像電流源工作失效，控制效果不好。

針對以上問題，本文提出一種具體的 di/dt控制電路。電路采用一個統(tǒng)一的24 V電源供電，通過改變調(diào)節(jié)電阻的值來調(diào)整注入或者抽取門極電流的值，減緩開關(guān)管IGBT的開通和關(guān)斷速度，以達(dá)到控制開關(guān)電流上升率和下降率的目的。電路結(jié)構(gòu)更簡單，能消除文獻(xiàn)[2-3]中存在的缺陷，同時保留了其優(yōu)點。最后驗證了該電路的可行性。

1 動態(tài)di/dt控制電路

圖1所示為文獻(xiàn)[3]提出的動態(tài) di/dt控制電路。它由兩個鏡像電流源和一個差分電路所組成。通過改變 Vc的值來改變差分電路中注入或抽取門極電流的大小，從而改變di/dt的大小。

在通過對圖1的電路進(jìn)行仿真時，三極管Q4中的電流通過基極進(jìn)入 Q3中，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因為在外加電源的作用下，各節(jié)點電壓出現(xiàn)變化而導(dǎo)致鏡像電流源工作失效，因此本文提出一種改進(jìn)后的IGBT動態(tài)di/dt控制電路，如圖2所示：

圖1 動態(tài)di/dt控制電路

在圖 2中，差分支路的電源改為電阻 R1和R2組成。外加電源 Vc和 Vb的作用就是使差分支路中的一對三極管基極節(jié)點電壓不同從而產(chǎn)生差分電流，電阻 R1和 R2上產(chǎn)生的電壓就可以代替外加電源Vc和Vb的作用。通過調(diào)整電阻R1和R2的大小，就可以控制注入和抽取門極電流的大小，從而控制di/dt上升率和下降率。此電路采用一個統(tǒng)一的 24 V電源供電，也就避免了外加電源太多，各節(jié)點電壓出現(xiàn)變化而導(dǎo)致鏡像電流源工作失效情況的發(fā)生。

圖2 動態(tài)di/dt改進(jìn)控制電路（IGBT開通和關(guān)斷狀態(tài)）

2 仿真分析

此電路采用感性負(fù)載，IGBT選擇PSPICE模型庫中的BSM100GB100D。各參數(shù)值如下：母線電壓Ed=50 V，Vcc=15 V，I0=5 A，VEE=-9 V ，Rg=40 Ω，L0=10 μH。在 Ln=50 nH的條件下，對R1(R1=R2)分別等于200 Ω和50 Ω時發(fā)射極電流進(jìn)行仿真比較。

通過圖3-8仿真分析的結(jié)果可以得出，取樣電阻 R1越大，發(fā)射極電流變化率越小，補償效果越好，特別是發(fā)射極電流下降率變化尤為明顯。這與理論分析相吻合。

圖3 R1=200 Ω時發(fā)射極電流波形

圖4 R1=50 Ω時發(fā)射極電流波形

圖5 R1=200 Ω時發(fā)射極電流上升波形

圖6 R1=50 Ω時發(fā)射極電流上升波形

圖7 R1=200 Ω時發(fā)射極電流下降波形

3 結(jié)論

本文提出了一種具體的di/dt控制電路，通過該改進(jìn)電路，解決了在實際應(yīng)用過程中由于文獻(xiàn)[2][3]中 di/dt控制電路外加電源太多，各節(jié)點電壓出現(xiàn)變化而導(dǎo)致電路中鏡像電流源工作失效，控制效果不好的問題，達(dá)到了良好的控制效果。

圖8 R1=50 Ω時發(fā)射極電流下降波形

[1]王雪茹。大功率 IGBT模塊并聯(lián)特性及緩沖電路研究[D]. 西安： 西安理工大學(xué), 03/2004.

[2]德國西門康 IGBT及驅(qū)動電路應(yīng)用指南[M]PP.221-225.

[3]Piotr Luniewski, Uwe Jansen, Michael Hornkamp.dynamic voltage rise control, the most efficient way to control turn - off Switching Behaviour of IGBT Transistors[J].

[4]Shihong Park ,Thomas M. Jahns.Flexible dv/dt and di/dt control method for insulated gate power switches[J]. IEEE, 01/2001： 1038-1045.

[5]Dorin O N.Active Gate drivers for motor control applications [J]. IEEE PESC, 2001, 7(1)： 17-21.

[6]Jahns T M. Electro-Magneto-Thermo-Mechanical Integration Technology (EMTMIT)[J]. IEEE, 2007,3(1).