IGBT的驱动特性及功率损耗计算

IGBT的驱动特性及功率损耗计算

作者：海飞乐技术时间：2017-05-17 15:36

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dv/dt引起的误触发等问题。栅极电压Uge增加(应注意Uge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 lGBT为例)。由图中可看出，若Ugc固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高。如图1a，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。

图1 栅极电压Uge与Uce和Tvj的关系

栅极电压Uge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lGBT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Vge可选择在-10~+15 V之间，关断电压-10V，开通电压+15V。开关时Uge与lg的关系曲线见图2a和图2b所示。

图2 开关时Uge与Ig的关系曲线

栅极电阻Rg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di/dt增大，可能引发IGBT误导通，但是，当Rg减少时，可以使得IGBT关断时由du/dt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Rg 大小各有好坏，客户可根据自己设计特点选择。图3为Rg大小对开关特性的影响，损耗关系请参照图4所示。

图3Rg大小对开关特性的影响(di/dt大小不同)

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板驱动而变化一样。但是lGBT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

1)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lGBT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Uge，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Uge的选择可参考图1，注意其大小的影响，若Uge选大了，则IGBT通态

压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic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Uge应选得小些，通常12～15V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Uge，但它的大小受IGBT的G，E间最大反向耐压限制，一般取-10V为宜。

6)在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制出di/dt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-CONCEPR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，Eon=开通能量(参数表提供)，Eon=关断能量(参数表提供)，Ia=实际工作电流Inom=标称电流。

2)续流二极管开关损耗：

P diode=f sw·E rec·I F/l 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 ceset•I s•D

其中。V ceset=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。