IGBT改电阻法的工作原理和控制方法

　　多阶段驱动方法就是将IGBT开通关断过程分段控制，对不同的阶段采取不同的控制方法，这样就可以尽量减小因为控制而造成的开关延时和开关损耗，从而在实现相同控制目标的条件下，由更短的开关时间和更小的开关损耗。现有的多阶段驱动方法可以分为两大类，分别是改电阻法和改电压法，改电阻法就是通过在控制阶段改驱动电阻实观控制，改电压法则是通过在控制阶段改驱动电压实现控制，两种方法从原理上来说是一样的，都是通过减慢IGBT开关速度，减小dICE/dt和dVCE/dt成来控制电压电流过程，但是由于IGBT模块内部和驱动电路上有各种寄生参数，所以两种方法还是有一些不同，下面分析改电阻法这种方法的工作原理和控制方法。

　　改电阻法

　　改电阻法在控制阶段增大驱动电阻，进而减小dICE/dt和dVCE/dt，从而控制电压电流过冲，最简单的切电阻电路如图1所示，其中R1阻值很大，R2阻值很小，正常情况下开关S1导通，R1和R2并联组成驱动电阻，在控制阶段，S1断开，R1为驱动电阻。和之前分析一样，我们还是将开通过程和关断过程分开分析。

　　

　　开通过程：切电阻法开通过程控制示意图如图下。

　　

　　根据图2分析，在ICE开始上升时，驱动电阻从小电阻切换成大电阻，直到上管反并二极管反向恢复电流消失，将驱动电阻从大电阻变为小电阻。由于电流上升阶段驱动电阻很大，所以电流上升速度会变慢，电流过冲也就会降低，这样就实现了对电流过冲的控制。图3是切电阻法开通过程实验波形。

　　

　　关断过程切电压法控制示意图如图5，当VCE开始上升后，将驱动电阻切换成大电阻，直到ICE下降过程结束，切电阻法关断过程实验波形如图4。

　　

　　

　　这种方法有着前文所说的多阶段方法的优点，开通时只在ICE上升阶段和上管反并二极管反向恢复电流阶段进行控制，在其他阶段如VCE下降阶段不进行控制，关断时只在VCE上升和ICE下降阶段控制，节省了一些开关时间，减小了开关损耗。但是该方法也有一些问题：

　　第一个就是切电阻电路需要控制开关，而且开关需要加在驱动电阻附近，很难将这个开关信号和功率回路隔离起来，所以这个开关的控制信号易受功率回路噪声的干扰，严重时会影响驱动电路正常工作。

　　第二个是开通过程反馈控制难以设计，切电阻法必须在ICE开始上升时就将驱动电阻切换成大电阻，如果在ICE上升一段时间后再切驱动电阻就会影响控制效果，无法将电流过冲控制的较低，举例说明，用改电阻法减小电流过冲，控制方法是在控制时间内将驱动电阻从原来的3.3Ω改为更大的驱动电阻来减小电流过冲，当控制时驱动电阻阻值为60欧姆时，电流ICE过冲为70A，继续增大该电阻阻值，比如增大到200欧姆甚至更高，电流ICE过冲仍然接近70A，电流过冲并没有如理论分析一般，随着驱动电阻的增大而减小。具体原因分析如下：

　　开通时该阶段的IGBT等效模型如图6所示。该阶段有两股电流给Cge充电，一个是驱动电流Ig，另外一个是VCE变化在CgC上产生的感应电流IgC。控制之前，Ig较大，IgC很小且方向和图中箭头方向相反。开始控制后，驱动电阻突然从原本的3.3Ω突然变的很大，相当于Ig变为0，所以对门极电容Cge充电的电流会突然减小，电流上升速度也会突然减小。由于功率回路中杂散电感Ls的存在，IGBT两端的电压VCE会减小一点，减小的值和电流ICE上升速度和杂散电感大小有关，表达式如公式1：

　　

　　当电流上升速度突然减小时，该减小的值会变小，VCE会上升，该现象实验波形如图7。VCE上升会在电容CgC上产生一个感应电流IgC，其大小如表达式2所示：

　　

　　虽然Ig为0，但是有IgC流过门极电容Cge对其充电，使得IGBT集电极电流ICE仍然以较快的速度上升。所以无论将驱动电阻改的多大，即使驱动回路断路了，电流ICE的上升速度仍然较快，ICE过冲也较高，无法再降低。所以只能在ICE开始上升之前就开始控制，使ICE上升速度始终保持在一个较慢的速度，才能有效的控制电流过冲。

　　我们可以根据IGBT数据手册查出CgC的大小，通过实验测出电压VCE的上升速度，佑算出电流IgC的大小。根据实验波形测出VCE的上升速度大约为0.1V/ns，查出CgC的大小约为1nF。根据公式2算出IgC大小约为0.1A，大约相当于驱动电阻为30~50欧姆时的充电速度。所以即使在控制时将驱动电阻改的很大，门极电容Cge仍然在较快速的充电，电流上升速度仍然不慢，电流过冲化就无法降低。

　　

　　

　　由于这个现象的存在，必须在ICE上升时或者上升前就将驱动电阻切换成大电阻。因为反馈回路以及控制电路有一些延时，所以无法通过采样ICE或者DICE/dt信号来控制电流过冲，这就使得开通过程反馈控制很难实现。

　　第三点是驱动电阻阻值很难改变，无法实现不同的控制效果（不同的电压电流过冲），有文献提出了一种用于切换不同阻值的芯片，可以在控制时改变驱动电阻，但是该芯片内部结构很复杂，驱动电路成本很高。