IGBT驅(qū)動(dòng)器輸出性能的計(jì)算

摘要：絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是應(yīng)用廣泛的功率半導(dǎo)體器件，驅(qū)動(dòng)器的合理設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)算用于開(kāi)關(guān)IGBT的驅(qū)動(dòng)器輸出性能的方法。 敘詞：IGBT，驅(qū)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(yīng)用中，如變頻器、電源和電子驅(qū)動(dòng)器。IGBT具有較高的反向電壓（高達(dá)6.5kV），開(kāi)關(guān)電流最大可達(dá)3kA。除功率模塊自身外，電力電子系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件是IGBT驅(qū)動(dòng)器，它是功率晶體管和控制器之間重要的接口。驅(qū)動(dòng)器的選擇及其準(zhǔn)確輸出功率的計(jì)算決定了轉(zhuǎn)換器解決方案的可靠性。驅(qū)動(dòng)器功率不足或選擇錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致模塊和驅(qū)動(dòng)器故障。以下總結(jié)了一些計(jì)算用于開(kāi)關(guān)IGBT的驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)特性主要取決于半導(dǎo)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(lái)表示，它是計(jì)算IGBT驅(qū)動(dòng)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(dāng)在集電極-發(fā)射極電壓非常低時(shí)這種依賴性大幅提高，電壓高時(shí)依賴性下降。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，IGBT的特性由柵極電荷來(lái)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(yīng)的集電極電流IC作為時(shí)間的函數(shù)，從IGBT導(dǎo)通到飽和這段時(shí)間的簡(jiǎn)化波形。正如IG=f(t)圖所示，導(dǎo)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(duì)輸入電容進(jìn)行充電，IGBT的導(dǎo)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(xiàn)。在關(guān)斷期間，所描述的過(guò)程運(yùn)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(jì)算驅(qū)動(dòng)器輸出功率，輸入電容可能只被應(yīng)用到某種范圍。一種更為實(shí)際的確定驅(qū)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(cè)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(cè)試電路進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)柵極電壓VGE用示波器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，柵極由一個(gè)恒流源（QG=I*t）驅(qū)動(dòng)。所確定的柵極電荷曲線（圖3）可被用來(lái)計(jì)算驅(qū)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(dǎo)通電壓VG(on)和關(guān)斷電壓VG(off)之差來(lái)進(jìn)行計(jì)算。圖3中來(lái)自IGBT數(shù)據(jù)表的圖表顯示了在正象限和負(fù)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(méi)有柵極電荷曲線的情況下，通過(guò)使用輸入電容Cies=CGE+CGC這一準(zhǔn)確度稍差的方法也能確定柵極電荷[7] 。

    圖 3   柵極充電特性[!--empirenews.page--]

    4、驅(qū)動(dòng)器輸出功率和柵極電流
    驅(qū)動(dòng)IGBT所需觸發(fā)電路的單獨(dú)功率可被視作是預(yù)期開(kāi)關(guān)頻率和能量的函數(shù)，該能量用于對(duì)IGBT進(jìn)行充放電。驅(qū)動(dòng)器輸出功率PGD(out)等于電能E乘以開(kāi)關(guān)頻率fSW，PGD(out)=EfSW。E等于柵極電荷乘以導(dǎo)通和關(guān)斷電壓的差值，E=QG(VG(on) - VG(off))。因此，驅(qū)動(dòng)器的輸出功率與柵極電荷、導(dǎo)通和關(guān)斷電壓以及開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，PGD(out)=QG(VG(on) - VG(off)) fSW。
對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)器電路的另一個(gè)關(guān)鍵要求是要有足夠的電流可用于IGBT輸入電容的充放電，從而導(dǎo)通和關(guān)斷IGBT。柵極電流可用IGBT輸入電容充電（圖4）的方程來(lái)計(jì)算。所計(jì)算出的柵極電流是驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)每通道的最小平均輸出電流，IG=IGE+ IGC= QGfSW。IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間受IGBT柵極的充放電控制。如果柵極峰值電流增大，則導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間將變短，且開(kāi)關(guān)損耗減少。這顯然也影響其他開(kāi)關(guān)參數(shù)，如必須被監(jiān)視的過(guò)電壓應(yīng)力。柵極充電電流可由柵極電阻RG(on)和RG(off)控制。理論峰值電流可以很容易計(jì)算出，IGPEAK=(VG(on) - VG(off))/(RG+RG(int))。這里，IGBT模塊的內(nèi)部柵極電阻RG(int)必須加以考慮。而在實(shí)際中，雜散電感使峰值電流小于可能的理論值。在某個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)表中，所給出的最大峰值電流是當(dāng)柵極電阻為最小值時(shí)的電流。如果這兩個(gè)最大和最小的范圍都超過(guò)了，其結(jié)果是驅(qū)動(dòng)器的輸出可能會(huì)受到損害。

    圖 4   IGBT 的電容和柵極電流

    5、IGBT 驅(qū)動(dòng)器的選擇
    選取合適的IGBT驅(qū)動(dòng)器需要考慮幾點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器的最大平均輸出電流必須大于計(jì)算值，且驅(qū)動(dòng)器的最大柵極峰值電流必須等于或大于最大計(jì)算柵極峰值電流。驅(qū)動(dòng)器的輸出電容必須能夠提供IGBT柵極充放電所需的柵極電荷。當(dāng)選擇一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)器時(shí)，驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)表中所列出的每脈沖最大電荷必須被充分地考慮到。無(wú)論哪種應(yīng)用，都可以很容易地通過(guò)使用DriverSel工具來(lái)選擇合適的驅(qū)動(dòng)器。DriverSel是一款免費(fèi)軟件工具，可從www.semikron.com下載。它基于上述的特點(diǎn)和方程，根據(jù)所選擇的IGBT模塊類型、并聯(lián)模塊的數(shù)量、柵極電阻、開(kāi)關(guān)頻率以及集電極-發(fā)射極電壓計(jì)算出合適的IGBT驅(qū)動(dòng)器。該工具可用于驅(qū)動(dòng)器的計(jì)算，任何品牌和IGBT封裝的選擇，以及計(jì)算所需的柵極電荷和平均電流。