IGBT驅(qū)動器輸出性能的計算

摘要：絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是應用廣泛的功率半導體器件，驅(qū)動器的合理設(shè)計對于IGBT的有效使用極為重要。本文就利用柵極電荷特性的考慮，介紹了一些計算用于開關(guān)IGBT的驅(qū)動器輸出性能的方法。 敘詞：IGBT，驅(qū)動器，柵極電荷 Abstract：Isolated gate bipolar transistors (IGBTs) are widely used power semiconductor devices. Properly designed drivers are extremely important for the effective use of IGBTs. This article takes gate charge characteristics into account and then introduces some methods for calculating output performance of drivers used for switching IGBTs. Keyword：IGBT, driver, gate charge
1、引言
今天，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在電力電子領(lǐng)域已經(jīng)普及，并被用于許多應用中，如變頻器、電源和電子驅(qū)動器。IGBT具有較高的反向電壓（高達6.5kV），開關(guān)電流最大可達3kA。除功率模塊自身外，電力電子系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件是IGBT驅(qū)動器，它是功率晶體管和控制器之間重要的接口。驅(qū)動器的選擇及其準確輸出功率的計算決定了轉(zhuǎn)換器解決方案的可靠性。驅(qū)動器功率不足或選擇錯誤可能會導致模塊和驅(qū)動器故障。以下總結(jié)了一些計算用于開關(guān)IGBT的驅(qū)動器輸出性能的方法。
2、柵極電荷體現(xiàn)IGBT的 特性
IGBT模塊的開關(guān)特性主要取決于半導體電容（電荷）及內(nèi)部和外部的電阻。圖1是IGBT電容的示意圖，其中CGE是柵極-發(fā)射極電容、CCE是集電極-發(fā)射極電容、CGC是柵極-集電極電容（或稱為米勒電容）。柵極電荷的特性由輸入電容CGC和CGE來表示，它是計算IGBT驅(qū)動器電路所需輸出功率的關(guān)鍵參數(shù)。該電容幾乎不受溫度影響，但與電壓關(guān)系密切，是IGBT集電極-發(fā)射極電壓VCE 的函數(shù)。當在集電極-發(fā)射極電壓非常低時這種依賴性大幅提高，電壓高時依賴性下降。當IGBT導通時，IGBT的特性由柵極電荷來體現(xiàn)。圖2顯示了柵極-發(fā)射極電壓VGE、柵極電流IG和相應的集電極電流IC作為時間的函數(shù)，從IGBT導通到飽和這段時間的簡化波形。正如IG=f(t)圖所示，導通過程可以分為三個階段。分別是柵極-發(fā)射極電容的充電，柵極-集電極電容的充電和柵極-發(fā)射極電容的充電直至IGBT全飽和。柵極電流IG對輸入電容進行充電，IGBT的導通和關(guān)斷特性由與充電過程有關(guān)的電壓VGE和VCE來體現(xiàn)。在關(guān)斷期間，所描述的過程運行在相反的方向，電荷必須從柵極上移除。由于輸入電容的非線性，為了計算驅(qū)動器輸出功率，輸入電容可能只被應用到某種范圍。一種更為實際的確定驅(qū)動器輸出功率的方法是利用柵極電荷特性。

圖 1 IGBT 的電容

圖 2 簡化的柵極充電波形

3、如何測量和確定柵極電荷
柵極電荷可以通過一個簡化的測試電路進行測量。當柵極電壓VGE用示波器進行測量時，柵極由一個恒流源（QG=I*t）驅(qū)動。所確定的柵極電荷曲線（圖3）可被用來計算驅(qū)動IGBT所需的每脈沖柵極電荷?？偟膭h極-發(fā)射極電壓可通過考慮所施加的柵極導通電壓VG(on)和關(guān)斷電壓VG(off)之差來進行計算。圖3中來自IGBT數(shù)據(jù)表的圖表顯示了在正象限和負象限的柵極電荷曲線。如果柵極電荷曲線只在正象限給出，則柵極電荷的幅值可由外插法讀出。即使在沒有柵極電荷曲線的情況下，通過使用輸入電容Cies=CGE+CGC這一準確度稍差的方法也能確定柵極電荷[7] 。

圖 3 柵極充電特性