IGBT的驅(qū)動(dòng)特性及功率計(jì)算

1、1IGBT 的驅(qū)動(dòng)特性及功率計(jì)算1IGBT 的驅(qū)動(dòng)特性1.1驅(qū)動(dòng)特性的主要影響因素IGBT的驅(qū)動(dòng)條件與IGBT的特性密切相關(guān)。設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路 時(shí)，應(yīng)特別注意開(kāi)通特性、負(fù)載短路能力和dv/dt引起的誤觸發(fā)等問(wèn) 題。柵極電壓Uge增加（應(yīng)注意Uge過(guò)高而損壞IGBT），則通態(tài)電 壓下降（Eon也下降），如圖1所示（此處以200A IGBT為例）。由圖1中可看出，若Uge固定不變時(shí)，導(dǎo)通電壓將隨集電極電流增大而增高，如圖1a,電流容量將隨結(jié)溫升高而減少（NPT工藝正溫度特性的體 現(xiàn)）如圖1b所示。（a） Uge 與 Uce 和 Ic 的關(guān)系（b） Uge 與 Ic 和 Tvj 的關(guān)系圖 1柵極電壓

2、 Uge 與 UCe 和 Tvj 的關(guān)系柵極電壓Uge直接影響IGBT的可靠運(yùn)行，柵極電壓增高時(shí)有利 于減小IGBT的開(kāi)通損耗和導(dǎo)通損耗，但同時(shí)將使IGBT能承受的短 路時(shí)間變短（10us以下），使續(xù)流二極管反向恢復(fù)過(guò)電壓增大，所 以務(wù)必控制好柵極電壓的變化范圍， 一般Uge可選擇在-10+15 V之 間，關(guān)斷電壓-10 V,開(kāi)通電壓+15 V。開(kāi)關(guān)時(shí)Uge與Ig的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2 a和圖2 b所示。(a)開(kāi)通時(shí)(b)關(guān)斷時(shí)2圖 2 開(kāi)關(guān)時(shí)Uge與Ic的關(guān)系曲線柵極電阻Rg增加，將使IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間增加，使開(kāi)通 與關(guān)斷能耗均增加，但同時(shí)，可以使續(xù)流二極管的反恢復(fù)過(guò)電壓減小， 同時(shí)減少EM

3、I的影響。而門極電阻減少，貝収使di/dt增大，可能引 發(fā)IGBT誤導(dǎo)通，但是，當(dāng)Rg減少時(shí)，可以使得IGBT關(guān)斷時(shí)由du/dt所帶來(lái)誤觸發(fā)的可能性減小，同時(shí)也可以提高IGBT承受短路能量的 能力，所以Rg大小各有好壞，客戶可根據(jù)自己設(shè)計(jì)特點(diǎn)選擇。圖3為Rg大小對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響，損耗關(guān)系請(qǐng)參照?qǐng)D4所示。0,2 wIW(Upi/Oiv3圖 4 門極電阻Rg與Eon/Eoff由上述可得：IGBT的特性隨門極驅(qū)動(dòng)條件的變化而變化，就象 雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)特性和安全工作區(qū)隨基極驅(qū)動(dòng)而變化一樣。但是IGBT所有特性難以同時(shí)最佳化，根據(jù)不同應(yīng)用，在參數(shù)設(shè)定時(shí)進(jìn)行 評(píng)估，找到最佳折沖點(diǎn)。雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)特

4、性隨基極驅(qū)動(dòng)條件而變化，然而，對(duì)于IGBT來(lái)圖 3Rg大小對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響(di/dt 大小不同)(a)開(kāi)通時(shí)(b)關(guān)斷時(shí)4說(shuō)，正如圖1圖3所示，門極驅(qū)動(dòng)條件僅對(duì)其開(kāi)關(guān)特性有 較大影響，因此，對(duì)于其導(dǎo)通特性來(lái)講，我們應(yīng)將更多的注意力放在IGBT的開(kāi)通、短路負(fù)載容量上。1.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)布局1）從結(jié)構(gòu)原理上講，IGBT的開(kāi)通特性同MOSFET,而輸出特性同BJT，等效于MOSFET+BJT，因此IGBT與MOSFET都是電壓驅(qū) 動(dòng)，都具有一個(gè)閾值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)柵極電荷非常敏感故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電 回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短

5、。2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓Uge,有足夠陡的前后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開(kāi)通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT之雙極晶體管BJT始終工作在飽和區(qū)。3） 驅(qū)動(dòng)電壓Uge的選擇可參考圖1,注意其大小的影響，若Uge選大了，則IGBT通態(tài)壓降和開(kāi)通損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)的Ic增5大，IGBT能承受短路電流的時(shí)間減小，對(duì)其安全不利，因此在有 短路工作過(guò)程的設(shè)備中Uge應(yīng)選得小些，通常1215 V比較合適。4） 驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸線路設(shè)計(jì)要考慮器件延遲，特別是光耦，注意 傳輸比選擇。5） 在關(guān)斷過(guò)程中，為盡快抽取IGBT輸入電容（Cies）上的

6、存儲(chǔ) 電荷，須施加一負(fù)偏壓Uge，但它的大小受IGBT的G、E間最大反 向耐壓限制，一般取-10 V為宜。6） 在大電感負(fù)載下，IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間不能太短， 以限制出di/dt形成的尖峰電壓，設(shè)計(jì)正確的過(guò)流保護(hù)電路，確保IGBT的安全。7）注意兩種隔離：強(qiáng)、弱電之間的隔離（信號(hào)共地問(wèn)題）和輸 入、輸出信號(hào)之間的隔離（采用變壓器/光耦等） ，最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。8）針對(duì)大功率IGBT，可考慮增加推挽對(duì)管（如目前通用的MJD44H11/45H11） 放 大 驅(qū) 動(dòng) 功 率,或 者 選 用 比 較 流 行 的 瑞 士CT-CONCEPT專用大功率驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品如2SD31

7、5-等。2IGBT 的功率損耗計(jì)算（硬開(kāi)關(guān)情況）2.1動(dòng)態(tài)損耗1）IGBT開(kāi)關(guān)損耗：PIGBT=fsw（Eon+ Eoff）Is/Inom其中fsw= IGBT開(kāi)關(guān)頻率，Eon=開(kāi)通能量（參數(shù)表提供），Eoff=關(guān)斷 能量（參數(shù)表提供），Is=實(shí)際工作電流Inom=標(biāo)稱電流。2）續(xù)流二極管開(kāi)關(guān)損耗：其中fw=IGBT開(kāi)關(guān)頻率，Erec二續(xù)流能量（參數(shù)表提供），IF=實(shí)際工 作電流Inom=標(biāo)稱電流。導(dǎo)通損耗1）IGBT導(dǎo)通損耗：PiGBT=VcesatIsD其中Vcesat=飽和壓降（參數(shù)表提供），Is二集電極電流，D =平均占空比。Pdiode= fswErecIF/Inom62）續(xù)流二極管導(dǎo)通損耗：Pdiode=VFIF(1-D)其中VF=導(dǎo)