——驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的底層邏輯是什么?

引

哎呀好久不見，最近又在調(diào)驅(qū)動(dòng)

特地趕來分享一下心得

IGBT的驅(qū)動(dòng)是個(gè)很有意思的事情

調(diào)試的時(shí)候總是在權(quán)衡、取舍

調(diào)來調(diào)去也離不開它的底層邏輯，也就是原理

咱就根據(jù)這個(gè)底層邏輯

捋一捋具體的實(shí)現(xiàn)方法

走著

驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的目的

這一點(diǎn)非常重要，不明白優(yōu)化目標(biāo)，亂改一通，非常沒有目的性;

看一看，作為一個(gè)電流的開關(guān)，咱要追求它的什么特性，簡(jiǎn)單羅列一下，有哪些

舉個(gè)例子，假如你就是想要抑制關(guān)斷電壓尖峰，那除了優(yōu)化雜散電感外，就從關(guān)斷di/dt上下手，至于怎么控制di/dt，別急，后邊很詳細(xì)

優(yōu)化之后，再回過頭來看有沒有影響其它關(guān)鍵性能，或者其它關(guān)鍵性能可做多少取舍，如犧牲多少開關(guān)損耗之類。這樣，調(diào)節(jié)的方向就很明確，雞腿也越來越近

說白了，無論你準(zhǔn)求什么目標(biāo)，其實(shí)都是在控制di/dt和dv/dt

驅(qū)動(dòng)的底層邏輯

這部分非常樸實(shí)無華且枯燥

但是看懂了，理解后邊的方法會(huì)非常容易

首先，作為場(chǎng)控器件，IGBT的驅(qū)動(dòng)是輸入電容充放電的過程

也就是給CgeCgc充放電

簡(jiǎn)單鋪墊一下：

Cge和Coxd為氧化層電容，與柵極電壓和集電極電壓無關(guān);

Cdep和Cce是IGBT開關(guān)暫態(tài)耗盡層空間電荷作用的結(jié)果，因此與Vce密切相關(guān)

Cgc=Cdep+Coxd又叫米勒電容

關(guān)鍵來了，以開通過程為例：

t0-t1：開通延遲，驅(qū)動(dòng)電流Ig，不斷給Cge充電，由于Vce還沒有下降，米勒電容的大小取決于Cdep(電容串聯(lián)，容值取決于小的哪個(gè)，類似于電阻并聯(lián)，Cdep的大小隨Vce增大而減小)Cdep相對(duì)于Cge非常小，因此主要給Vge充電

t1-t2：Vge達(dá)到Vgeth，電流上升，由于di/dt和雜散電感的影響，Vce會(huì)有一個(gè)缺口;門極主要還是給Cge充電，道理同上，t2時(shí)刻由于反向恢復(fù)電流的峰值，Vge會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小尖峰Vge pk

gm是IGBT的跨導(dǎo)

t2-t3：米勒平臺(tái),二極管結(jié)束反向恢復(fù)，開始承受反向壓降，IGBT的Vce迅速下降，此時(shí)Cdep變大，米勒電容變大，相對(duì)于Cge量級(jí)相當(dāng)，于是開始給米勒電容充電，Vge不再上升，形成米勒平臺(tái)

t3-t4：繼續(xù)給Cge//Cgc充電，直至達(dá)到驅(qū)動(dòng)電路的正偏置電壓VCC，門極驅(qū)動(dòng)電流呈指數(shù)衰減

總結(jié)：把過程分為四個(gè)部分，優(yōu)化哪部分的參數(shù)，看該部分的特性就行

(又來舉例子，你要優(yōu)化開通di/dt，那就瞄準(zhǔn)t1-t2階段，這段Vge受啥影響，驅(qū)動(dòng)電流和Cge,邏輯就是這么簡(jiǎn)單)

優(yōu)化方法

說完原理就是實(shí)操了

這就是內(nèi)功心法不變，招式千變?nèi)f化，注意看，說不定你未來的專利就在這里頭

如何控制di/dt和dv/dt?

控制di/dt、dv/dt——>控制Vge波形

Vge的影響因素有幾個(gè)呢?列出來：

偏置電壓VCC、驅(qū)動(dòng)電阻R、二者決定驅(qū)動(dòng)電流

柵極射極電容Cge和米勒電容Cgc

于是，改來改去無外乎更改上述幾個(gè)參數(shù)，而且是變著花樣改

總的來說，分為開環(huán)和閉環(huán)兩種方式：

開環(huán)：(改電阻、改輸入電容、分級(jí)驅(qū)動(dòng)、高頻方波驅(qū)動(dòng))

閉環(huán)：(閉環(huán)di/dt、dv/dt控制，有源嵌位、參考波形給定)

1d改電阻

工程上最直觀最常用、通常理解增大關(guān)斷電阻，可減小di/dt，因此降低關(guān)斷電壓尖峰，但增加關(guān)斷損耗。

最新的溝槽柵場(chǎng)終止型IGBT，關(guān)斷電壓尖峰并非與驅(qū)動(dòng)電阻成單純線性關(guān)系，反而在比較小的范圍內(nèi)，電壓尖峰隨著驅(qū)動(dòng)電阻的增大而增大

調(diào)試的朋友遇到這種詭異的問題不要奇怪啦

2改電容

增加Cge降低di/dt，增加Cgc降低dv/dt，簡(jiǎn)單而直觀，易實(shí)現(xiàn)

缺點(diǎn)：增加開關(guān)損耗，增大米勒電容增加直通風(fēng)險(xiǎn)

3分級(jí)驅(qū)動(dòng)

把關(guān)斷分為不同階段，每個(gè)階段采用不同的

電阻、電流、電壓

類似于下邊這種，可變驅(qū)動(dòng)電阻陣列，實(shí)現(xiàn)不同階段可變驅(qū)動(dòng)電阻：

或者這種，分階段采用不同的驅(qū)動(dòng)電流或驅(qū)動(dòng)電壓

(t0-t1驅(qū)動(dòng)電流大點(diǎn)，減小開通延遲，t1-t2小點(diǎn)，增大di/dt，t2之后大點(diǎn)，縮短米勒平臺(tái))

目前車規(guī)級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片普遍使用的兩級(jí)關(guān)斷也是這個(gè)思想

優(yōu)點(diǎn)：電路相對(duì)簡(jiǎn)單

缺點(diǎn)：控制離散化，不能精準(zhǔn)控制

4高頻方波

由于開關(guān)損耗較大，汽車應(yīng)用見不到，感興趣的同學(xué)查閱論文

5參考波形給定

第一類：給定Vge，使用前饋或者反饋的方式控制Vge的軌跡，類似于下圖

第二類：給定Vce，類似于下圖

第三類：給定di/dt、dv/dt

看起來是不是很厲害，但是電路很復(fù)雜，時(shí)滯高，工程上的應(yīng)用其實(shí)并不多

上圖這么復(fù)雜是為了實(shí)現(xiàn)關(guān)斷過程的分段控制，下圖虛線前后分開，前邊控制di/dt，后邊控制dv/dt

于是，這種方法的特點(diǎn)就是

優(yōu)點(diǎn)：參考波形簡(jiǎn)單

缺點(diǎn)：電路復(fù)雜

6有源嵌位法

相必大家非常熟悉，最常用，本質(zhì)上是負(fù)反饋，Vce過壓擊穿TVS，使Vge拉升延緩關(guān)斷速度

優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速，應(yīng)用廣泛

缺點(diǎn)：TVS頻繁動(dòng)作會(huì)發(fā)熱，影響壽命;TVS耐壓限制IGBT阻斷電壓

因此，該方法應(yīng)用時(shí)，盡量讓它短時(shí)間工作

7關(guān)斷尖峰吸收電路

工業(yè)上應(yīng)用很多，吸收電路本身的散熱和占用的空間是個(gè)問題，它的原理也很簡(jiǎn)單，百度可得

結(jié)

這部分的內(nèi)容在整理的過程中，頗有感悟

調(diào)驅(qū)動(dòng)的過程中，面臨著各種取舍和權(quán)衡

像人生一樣，一直在取舍

追求優(yōu)化

魚和熊掌怎么兼得呢

那只能提升硬實(shí)力

用更先進(jìn)的芯片

訓(xùn)練更高效的大腦

——完——

原文標(biāo)題：盤點(diǎn)IGBT驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法!!

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審核編輯：湯梓紅