IGBT 的驱动特性及功率计算

IGBT 的驱动特性及功率计算

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U ge增加（应注意U ge过高而损坏IGBT），则通态电压下降（E on也下降），如图1所示(此处以200A 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。

（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（10μs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U 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。

(a)开通时 (b)关断时

图2 开关时U ge与I c的关系曲线

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di/dt增大，可能引发IGBT误导通，但是，当R g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（di/dt 大小不同）

图4 门极电阻R g与E on/E off

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（C ies）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-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。