IGBT驅動(dòng)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，驅動(dòng)器的合理設計對于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(kāi)關(guān)IGBT的驅動(dòng)器輸出性能的方法。 敘詞：IGBT，驅動(dòng)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、電源和電子驅動(dòng)器。IGBT具有較高的反向電壓（高達6.5kV），開(kāi)關(guān)電流最大可達3kA。除功率模塊自身外，電力電子系統中的一個(gè)關(guān)鍵組件是IGBT驅動(dòng)器，它是功率晶體管和控制器之間重要的接口。驅動(dòng)器的選擇及其準確輸出功率的計算決定了轉換器解決方案的可靠性。驅動(dòng)器功率不足或選擇錯誤可能會(huì )導致模塊和驅動(dòng)器故障。以下總結了一些計算用于開(kāi)關(guān)IGBT的驅動(dòng)器輸出性能的方法。
2、柵極電荷體現IGBT的 特性
IGBT模塊的開(kāi)關(guān)特性主要取決于半導體電容（電荷）及內部和外部的電阻。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(chēng)為米勒電容）。柵極電荷的特性由輸入電容CGC和CGE來(lái)表示，它是計算IGBT驅動(dòng)器電路所需輸出功率的關(guān)鍵參數。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。當在集電極-發(fā)射極電壓非常低時(shí)這種依賴(lài)性大幅提高，電壓高時(shí)依賴(lài)性下降。當IGBT導通時(shí)，IGBT的特性由柵極電荷來(lái)體現。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(shí)間的函數，從IGBT導通到飽和這段時(shí)間的簡(jiǎn)化波形。正如IG=f(t)圖所示，導通過(guò)程可以分為三個(gè)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(jìn)行充電，IGBT的導通和關(guān)斷特性由與充電過(guò)程有關(guān)的電壓VGE和VCE來(lái)體現。在關(guān)斷期間，所描述的過(guò)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(xiàn)性，為了計算驅動(dòng)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(shí)際的確定驅動(dòng)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(jiǎn)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(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的測試電路進(jìn)行測量。當柵極電壓VGE用示波器進(jìn)行測量時(shí)，柵極由一個(gè)恒流源（QG=I*t）驅動(dòng)。所確定的柵極電荷曲線(xiàn)（圖3）可被用來(lái)計算驅動(dòng)IGBT所需的每脈沖柵極電荷?？偟膭h極-發(fā)射極電壓可通過(guò)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(lái)進(jìn)行計算。圖3中來(lái)自IGBT數據表的圖表顯示了在正象限和負象限的柵極電荷曲線(xiàn)。如果柵極電荷曲線(xiàn)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(méi)有柵極電荷曲線(xiàn)的情況下，通過(guò)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