IGBT和SiC MOSFET的驱动参数的计算方法

在对功率模块选型的时候要根据功率模块的参数匹配合适的驱动器。这就要求在特定的条件下了解门级驱动性能和参数的计算方法。

本文将以实际产品中用到的参数进行计算说明，并且对比实际的IGBT和SiC MOSFET之间驱动参数的实际差异。

参考资料：《IGBT以及MOSFET的驱动参数的计算方法》concept

1.模块所需驱动功率的计算
2.门级电荷说明
3.峰值驱动电流公式
4.输出电压摆幅的变化
5.最大开关频率
6.最大驱动电流
7.实际应用案例计算

1.模块所需驱动功率的计算
驱动器时用来控制功率器件的导通和关断。为了实现此功能，驱动器对功率器件的门级进行充电以达到门极开通电压Vge_on，或者是对门极进行放电至门极关断电压Vge_off。

门极电压在两种电平的转换过程中，在驱动器门极驱动电阻及功率器件组成的回路中产生一定的损耗。这个参数我们称之为驱动功率Pdrv。驱动器必须根据其所驱动的功率器件所需的驱动功率来选择。

驱动功率可以从门极电荷Qg，开关频率fin，以及驱动器实际输出电压的摆幅△Vg计算得出：

该公式是在门极驱动电流不发生谐振的条件下得出的。只要这个开关过程是IGBT/MOSFET门极从完全打开到完全关断或者反过来，则驱动功率并不依赖于门极电阻及占空比的变化而变化。

2.门极电荷Qg说明

如何确定门极电荷量？

一是直接从数据手册中查找：

Qg绝不能从 IGBT 或MOSFET 的输入电容Cies计算得出。Cies仅仅是门极电荷量曲线在原点(VGF=0V)时的一阶近似值。功率半导体的门极电荷量曲线是极其非线性的。这就是为什么 Qg 必须通过对门极电荷量曲线在 VGF off 到 VGF on的区域内积分获得。

如果 Qg 在数据手册中已给出，在实际应用中一定要注意该参数给定的电压摆幅条件。不同的电压摆幅条件下门极电荷量是不同的。举个例子;如果VG从 0V 到 +15V条件下的门极电荷量是Qg，那么没有办法很准确的得到VG从-10V到+15V条件下的门极由荷量。

在这样的情况下，如果没有电荷量图表(Qg VS.VG)，则实测电荷量 Qg是唯一的方法。冬2显示的是一张典型的驱动器开通过程的波形图。驱动器输出电流Io-正在对功率器件的门极进行充电。因此，如图 2 所示，输出电流曲线与时间轴围成的区域就是总的充电电荷量(见图 4 所示的原理图)。积分时间应宽到足以涵盖整个电压摆幅(参照输出:GH，GL)。积分时间包括驱动器输出电压至最终电压，或者是从驱动器开始输出电流至输出电流为零这段时间。

如图所示：用积分的方法来测量门极电荷量

必须注意输出电流是否出现振荡。在实际应用中，电荷量的测量值通常受电流振荡影响而变得不准确，其原因是过长的积分时间以及少量大数叠加而非大量小数叠加产生的不准确性。因此，强烈建议使用驱动电流无振荡的设置来对门极电荷量进行测量。

驱动器输出电流振荡或可导致驱动器单元产生额外的功率损耗，这些损耗是由于钳位效应及输出级和控制回路的非线性产生的。因此，驱动器最大可用功率通常是在输出电流不发生振荡的情况下得出的。

3.峰值驱动电流公式

门极驱动电路另一个重要的参数就是最大门极驱动电流 Ioutmax。门极驱动电流Ioutmax必须足够大以便在最大电压摆幅及最小门极电阻条件下提供足够的驱动电流。其一阶最大值可以简写成:

若门极电流存在振荡现象，则建议在选择驱动器时，其峰值电流应满足 Iout,max> Iout(1.Order)。如果门极电流的振荡表现出低阻尼特性的话就必须引起注意。此时，峰值电流电流会很大，且通常只能通过测量得到。
实践经验表明，在门极电流无振荡，且驱动电阻较小的情况下，电路中实际观察到的电流峰值低于 Iout(1.Order)的70%。门极电流的减小是由干门极回路中的寄生电感导致的。这个寄生电感在门极充电开始时限制电流的斜率。因此，在门极回路电流无振荡出现的情况下，对于驱动小阻值门极电阻，我们只需根据如下要求选择驱动器，驱动器的门极由流至少需提供 0.7倍的衰减因子:

在使用公式5时，驱动器输出端的实际峰值电流需要进行实测以作确认。
举例:驱动器电压摆幅为 25V(+15/-10V)，门极电阻为 0.5Ω，IGBT 模块门极内阻为 0.2Ω，则驱动器提供的最大峰值电流至少应为 25A。

4.输出电压摆幅的变化
门极驱动器的输出电压摆幅在输出功率范围内会有轻微的变化。这是因为驱动器高压隔离 DC/DC 电源的外特性有些软所致。最边界的计算值是通过最大电压摆幅得出的。请在预期使用的功率范围内依据驱动器的数据手册得出电压摆幅，或者是在电路中进行实测。

严格来说，门极电荷量需在特定的门极电压摆幅下进行测量。如果门极电荷量是在较大门极电压摆幅(在低频下)条件下得出，那么计算得出的驱动功率会比实际驱动功率大(在目标频率下)。如果目标精度低于5%，实际上没有必要去考虑这个因素的影响。

5.最大开关频率
某些参数会影响最大可使用开关频率。
首先，前面是前面所讨论得出的输出功率。
第二是门极电阻上的功耗变化。门极电阳越大，在给定频率下驱动器推动级的功耗就越小。
第三是由于高开关频率而影响驱动器的温升。

如图所示的是不同门极驱动电阻条件下，最大允许输出功率与开关频率的关系的曲线图。该图只适用某个具体的驱动器，并不是通用的。

6.最大驱动电流
实际应用中，驱动峰值电流的计算理论来源于以下问题:
在没有振荡的情况下，门极回路中的实际峰值电流能达到多少?

以下分析仅专注于门极电阻的变化而其他参数不变。假设门极回路不发生谐振也就是门极电流的波形不发生振荡。
下图所示为门极电路模型，由驱动器的推动级输出端 GH，GL;独立的门极电阻 Ra.on/off 以及相应的杂散电感 La.on/off;以及功率器件回路中存在的杂散电感 L组成。

功率器件可以由一个常量电容建模而成。这是一个被简化的模型，但是在门极充电过程的起始时刻是很合理的。

门极充电起始时刻是最相关的阶段，因为充电电流在此刻达到最大。

门极驱动回路模型

Lg与Rg分别是开通和关断回路中L与R的总和。区分振荡与非振荡的边界是Lg，Cgg以及Rg的比例。i（t）不振荡的方程需要满足以下阻尼条件：

请注意公式 9只在非振荡条件下计算最大电流时是正确的。当R大于Rgmin(non-osc)时，峰值驱动电流小于 îmax(non osc)。对于大阻值的门极驱动电阻，可以按公式 4计算门极电流。但是峰值门极电流也总是小于 îmax(non-osc)。因此根据公式 9 来选择驱动器的带载能力(即驱动器最大输出电流)是完全可以的。必须根据门极回路设置及功率器件来选择合适的Rgmin(non-osc)。

理论上推导出来的 îmax(non-osc的衰减因子 0.74 在实际应用中会受到以下限制进一步减小，如;驱动器的开关速度，门极回路传输线的属性以及驱动器支撑电容的内部时间常量。

因此，实际应用中推荐衰减因子值0.70和理论得出的值 0.74 的效果是一致的。

7.实际应用案例计算

我们以英飞凌的IGBT模块FF900R12ME7_B11为例，计算他的驱动功率和最大驱动电流。
根据Pdrv公式，我们按照实际应用工况fin=8kHz，△Vg=23V

Qg可从手册中得出：

手册计算的Qg是从-15V-15V，我们的估算是从-8-15V，理论上比这个数值低，但是这个基本上可以忽略掉。

代入公式1得：Pdrv=14.310^ -68 * 10^-3*23=2.6W

那就得到IGBT模块FF900R12ME7_B11的驱动功率需要2.6W，这个数据还是比较大的，跟SiC MOSFET相比，IGBT的驱动功率比较大，这是由于IGBT的寄生参数比SiC MOSFET大。

计算最大驱动电流：
从手册中可得：
Rgint=0.5R，Rg=0.51R △Vg=23V

I=0.7（23/（0.5+0,51））=16A

那就得到IGBT模块FF900R12ME7_B11的最大驱动电流为16A。

那么选择的驱动器就必须有16A的输出能力。