关键词：IGBT栅极驱动；栅极驱动电阻；栅极电容；双脉冲试验

1 引言

在变频器研制过程中，IGBT栅极驱动电阻和电容参数的选配是一个重要的环节，其参数的合理选择与否直接关系到IGBT能否安全稳定的工作。虽然IGBT官方手册中给出栅极驱动电阻和电容的参考值，但是由于变频器内部结构和驱动电路等因素的差异，该参考值并不能满足实际使用；为此，实践中需要根据试验的方法来重新确定驱动电阻和电容的参数。

2 IGBT栅极驱动电阻和电容的作用和选取原则

2.1 驱动电路

实际使用的IGBT栅极驱动电路如图1所示，驱动电阻由R_on和R_off两部分组成。栅极电容并接在IGBT的栅极和发射极之间；当IGBT开通时，驱动电源经R_on给IGBT栅极和C_ge充电；关断时，IGBT栅极和C_ge经R_off放电^[2]；

图1 IGBT栅极驱动电路图

2.2 栅极驱动电阻的作用

IGBT的开通和关断主要是靠驱动电路经栅极驱动电阻的充放电来控制的^[1]，因而栅极驱动电阻对IGBT开通和关断过程影响极大。

其作用主要有^[2]：

①调节IGBT的开关速度；通过调节驱动电阻来调整IGBT栅极充放电时间，进而达到调节IGBT开关速度的目的；

②消除栅极震荡；由于驱动脉冲边沿很陡，栅极驱动回路寄生电感和栅极电容之间容易形成LC震荡，通过电阻的阻尼作用，可以消除该震荡。

③转移驱动器的功率损耗；由于驱动电阻的存在，驱动电压会大部分降落在驱动电阻上，从而有效避免因驱动电压降落在MOS管上，导致其功率损耗过大进而遭到损坏的可能；

④调节V_ce脉冲前后沿的陡度，开通电阻R_on和R_off的分开使用可以调节脉冲前后沿陡度，使对IGBT的开通电流峰值和关断电压尖峰进行单独优化成为可能。

2.3 栅极驱动电容的作用

栅极驱动电容的主要作用是减缓IGBT开通、关断过程，抑制电流变化率di/dt和电压变化率du/dt，但同时会增加IGBT的开通损耗。

2.4 选取原则

⑴ IGBT栅极驱动电阻既不能太小，又不能太大。当驱动电阻小时，IGBT开通和关断速度快、开关损耗小，但是di/dt和du/dt大，IGBT尖峰电压高、IGBT损坏风险增大；当驱动电阻大时，IGBT开通和关断速度慢，开关损耗大，但di/dt和du/dt减小，直流母线电压尖刺减小，IGBT工作在安全区域。

⑵ IGBT栅极驱动电电容既不能太小，又不能太大。驱动电容太小，起不到抑制di/dt、du/dt的作用；太大则会增加IGBT的开关损耗。

⑶ 必须保证IGBT正常工作在手册规定的安全区域内，在此前提下尽可能选择小的驱动电阻和电容，以实现尽可能小的开关损耗；工程上，一般在官方手册参考值到其两倍数值之间进行选取^[1]，并通过试验的方法来确定最优驱动电阻和电容值。

3 确定IGBT栅极电阻和电容参数的方法

3.1 方法介绍

为了确定驱动电阻、电容参数，采用双脉冲试验方法^[3]，如图2所示，该方法通过模拟上桥、下桥IGBT的开通和关断的切换过程，不仅可以帮助确定合适的IGBT栅极驱动电阻和电容参数，而且能够捕捉到变频器运行时IGBT的开关过程，有利于提前发现问题并予以解决。

图2 双脉冲测试原理图                        

3.2 双脉冲试验步骤

⑴ 如图2所示，上桥IGBT的c极和e极并接电感；通过自耦变压器经整流桥给母线电容逐渐升压至额定；示波器测量上桥、下桥IGBT的V_ce、I_c、V_ge等参数。

⑵ 如图3所示，给下桥IGBT发一个双脉冲驱动信号，IGBT开通两次。调整电感及脉冲宽度使IGBT第一次开通时电流升高到IGBT额定电流后关断，第二次开通时电流升高到2倍额定电流后再关断；第二个脉冲在开通处，由于二极管反向恢复电流和电感电流的叠加，会有电流尖峰；在关断处，由于杂散电感的影响，会有电压尖峰。

⑶ 根据示波器测量的V_ce（上桥）、I_c（上桥）、V_ce（下桥）、I_c（下桥）、T_d（on）、T_d（off）、T_r、T_f、E_on、E_off等参数和手册数据对比，确定所用电阻、电容参数是否合适，IGBT是否工作在安全工作区域。

图3 双脉冲波形图

4 试验实例

4.1 试验数据

实际双脉冲试验所用的IGBT为中车TIM500GDM33-PSA011，方法同上所述。中车IGBT官方手册数据为：I_c=500A，V_ces=3300V，I_c（RM）=1000A，双管型。试验数据如表1所示。

表1 试验数据

表1说明：

1. 数据1是用IGBT官方手册上的参数R_on=3.3Ω，R_off=4.8Ω，C_ge=330nF测得的；

2. 数据2是在数据1参数的基础上将R_off增大到8.2Ω测得的，即R_on=3.3Ω，R_off=8.2Ω，C_ge=330nF；

3. 数据3是在数据2参数的基础上将C_ge=330nF的电容去掉后测得的，即R_on=3.3Ω，R_off=8.2Ω，C_ge=无；

4. 本次试验条件V_dc=1800V，I_c=500A，V_ge开通电压+15V，和手册一致。但关断电压V_ge为-10V和手册上-15V不一样。

4.2 试验实例数据分析

4.2.1 数据1和官方手册数据对比分析

用IGBT手册推荐的R_on、R_off、C_ge参数实际测量的数据和手册数据出入较大，具体有：实测开通损耗为509 mJ，而手册为750 mJ；实测关断损耗为630 mJ，而手册1050 mJ；这是由于测试环境温度、整机结构、测试用的电感等因素的差异、测量误差以及驱动关断电压不同等条件造成的。

4.2.2 数据1分析

① IGBT尖峰电压是三者里面最高的，具有更大的损坏IGBT风险，原则上该值越低越好；

② IGBT二极管反向恢复电流di/dt=1590 kA/μs，接近手册1700 kA/μs限值；二极管反向恢复损耗E_rec=531 mJ超过手册上460 mJ限值，这就大大增加二极管损坏的风险。

4.2.3 数据2分析

相比于数据1，增大R_off后的数据2更有利于IGBT的安全运行。首先，IGBT尖峰电压更低了，从2294 V下降到了2058 V；其次，二极管反向恢复电流变化率变小了，di/dt从1590 kA/μs下降到1392 kA/μs；再次，二极管反向恢复损耗E_rec从531 mJ降到449 mJ。综合这些因素可知：数据2相比数据1更有利于IGBT安全运行，更不容易损坏IGBT。

同时也应该看到，增大R_off后也带来了关断损耗增加、关断速度变慢等不利影响；但增加幅度不大，不是影响IGBT的安全和性能的主要因素。在实际使用中可以通过工程优化加以解决。

4.2.4 数据3分析

去掉C_ge的数据3相比于数据2最明显的变化是IGBT开通和关断变得更快了，其有利的方面是IGBT开通损耗降低了，从462 mJ下降到282 mJ，降幅明显，但对于关断损耗影响不大；不利方面在于二极管反向恢复电流的峰值和di/dt都增大了；其中di/dt从1392 kA/μs增加大3956 kA/μs，是手册1700 kA/μs限值的2倍多，电流峰值从335 A增加到580 A，是手册上360 A的1.7倍；这两个不利因素对IGBT的安全运行威胁很大，必须加以限制。

通过数据3和数据2的对比，能够知道电容C_ge能够延缓IGBT的开关过程，能够有效减小二极管反向电流的峰值和di/dt，同时减小二极管的反向恢复损耗，对IGBT有保护作用，不能去掉。

5 结论

通过以上数据分析可以得知：IGBT官方手册提供的电阻和电容参数并不适合实际研制变频器，而数据2参数比较适合；实际研制的变频器采用了数据2的参数，在现场运行一年多来，一直处于安全稳定的运行，各方面性能均达到了设计预期。这也证明了通过双脉冲试验确定的电阻电容参数是合理的，是符合实际变频器的。

综上所述，确定IGBT栅极驱动电阻和电容参数的试验方法，即双脉冲试验是一种很重要的试验方法，是研制变频器过程中非常重要的一个环节；它对保证IGBT工作在安全区域内，保证变频器安全稳定运行具有重要的实际意义。