igbt功耗计算

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IGBT 的驱动特性及功率计算

陈暹辉

深圳裕能达电气有限公司

摘要：根据目前市场的使用情况，介绍IGBT 的驱动特性及不同功率计算。 关键词：开通损耗 关断损耗 栅极电阻 导通压降 短路时间

1 IGBT 的驱动特性

1.1 驱动特性的主要影响因素

IGBT 的驱动条件与IGBT 的特性密切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和d v /d t 引起的误触发等问题。 栅极电压 U ge 增加（应注意U ge 过高而损坏IGBT ），则通态电压下降（Eon 也下降），如图1所示(此处以200 A IGBT 为例)。由图1中可看出，若U ge 固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高，如图1 a ，电流容量将随结温升高而减少（NPT 工艺正温度特性的体现）如图1b 所示。

（a ）Uge 与Uce 和Ic 的关系 （b ）Uge 与Ic 和Tvj 的关系

图1 栅极电压U ge 与U ce 和T vj 的关系

栅极电压 U ge 直接影响 IGBT 的可靠运行，栅极电压增高时有利于减小IGBT 的开通损耗和导通损耗，但同时将使IGBT 能承受的短路时间变短（10 μs 以下），使续流二极管反向恢复过电压增大，所以务必控制好栅极电压的变化范围，一般V ge 可选择在-10～+15 V 之间，关断电压-10 V ,开通电压+15 V 。开关时U ge 与I g 的关系曲线见图2 a 和图2 b 所示。

栅极电阻R g 增加，将使IGBT 的开通与关断时间增加，使开通与关断能耗均增加,但同时，可以使续流二极管的反恢复过电压减小，同时减少EMI 的影响。而门极电阻减少，则又使d i /d t 增大，可能引发IGBT 误导通，但是，当R g 减少时，可

(a)开通时 (b)关断时 图2 开关时U ge 与 I g 的关系曲线

以使得IGBT 关断时由d u /d t 所带来误触发的可能性减小，同时也可以提高IGBT 承受短路能量的能力,所以R g 大小各有好坏，客户可根据自己设计特点选择。图3为R g 大小对开关特性的影响，损耗关系请参照图4所示。

图3 R g 大小对开关特性的影响（d i /d t 大小不同）

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图4 门极电阻Rg 与Eon/Eoff

由上述可得：IGBT 的特性随门极驱动条件的变化而变化，就象双极型晶体管的开关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。但是IGBT 所有特性难以同时最佳化，根据不同应用，在参数设定时进行评估，找到最佳折冲点。

双极型晶体管的开关特性随基极驱动条件而变化，然而，对于 IGBT 来说，正如图1～图3所示，门极驱动条件仅对其开关特性有较大影响，因此，对于其导通特性来讲，我们应将更多的注意力放在IGBT 的开通、短路负载容量上。 1.2 驱动电路设计与结构布局

l ）从结构原理上讲，IGBT 的开通特性同MOSFET ，而输出特性同BJT ，等效于MOSFET+BJT ，因此 IGBT 与 MOSFET 都是电压驱动，都具有一个阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT 对栅极电荷非常敏感故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短。

2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压 U ge, 有足够陡的前后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外，IGBT 开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT 之双极晶体管BJT 始终工作在饱和区。

3）驱动电压U ge 的选择可参考图1，注意其大小的影响，若U ge 选大了，则 IGBT 通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的I c 增大， IGBT 能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路工作过程的设备中U ge 应选得小些，通常12～15 V 比较合适。

4）驱动信号传输线路设计要考虑器件延迟，特别是光耦，注意传输比选择。

5）在关断过程中，为尽快抽取IGBT 输入电容（Cies ）上的存储电荷，须施加一负偏压 U ge, 但它的大小受IGBT 的G ，E 间最大反向耐压限制，一般取-10 V 为宜。

6）在大电感负载下，IGBT 的开关时间不能太短，以限制出 d i /d t 形成的尖峰电压，设计正确的过流保护电路，确保IGBT 的安全。

7）注意两种隔离：强、弱电之间的隔离（信号共地问题）和输入、输出信号之间的隔离（采用变压器/光耦等），最好自身带有对 IGBT 的保护功能，有较强的抗干扰能力。

8）针对大功率 IGBT ，可考虑增加推挽对管（如目前通用的MJD 44H11/45H11）放大驱动功率,或者选用比较流行的瑞士CT-CONCEPT 专用大功率驱动产品如2SD315-等。

2 IGBT 的功率损耗计算（硬开关情况）

2.1 动态损耗

1）IGBT 开关损耗： P IGBT =f sw ·(E on +E off )·I s /I nom

其中，f sw = IGBT 开关频率，E on =开通能量（参数表提供），E off =关断能量（参数表提供），I s =实际工作电流 I nom =标称电流。

2）续流二极管开关损耗：

P diode = f sw ·E rec ·I F /I nom 其中，f w =IGBT 开关频率，E rec =续流能量（参数表提供），I F =实际工作电流 I nom =标称电流。

2.2 导通损耗

1）IGBT 导通损耗：

P IGBT =V cesat ·I s ·D 其中，V cesat =饱和压降（参数表提供），I s =集电极

电流 D=平均占空比。

2）续流二极管导通损耗：

P diode =V F ·I F ·(1-D )

其中，V F =导通压降（参数表提供），I F =实际工作

电流，D =平均占空比。

3 总结

目前IGBT 的从晶片的制造技术来讲已经发展到第4代，不同代IGBT 的驱动特性是有区别的，当然其驱动原理没有变化，其功率损耗也可照套正文所给出的公式计算。

参考文献

1 Infineon IGBT Technology

2 Infineon IGBT Datasheets