IGBT驱动器输出性能的计算

摘要：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是应用广泛的功率半导体器件，驱动器的合理设计对于IGBT的有效使用极为重要。本文就利用栅极电荷特性的考虑，介绍了一些计算用于开关IGBT的驱动器输出性能的方法。 叙词：IGBT，驱动器，栅极电荷 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，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在电力电子领域已经普及，并被用于许多应用中，如变频器、电源和电子驱动器。IGBT具有较高的反向电压（高达6.5kV），开关电流最大可达3kA。除功率模块自身外，电力电子系统中的一个关键组件是IGBT驱动器，它是功率晶体管和控制器之间重要的接口。驱动器的选择及其准确输出功率的计算决定了转换器解决方案的可靠性。驱动器功率不足或选择错误可能会导致模块和驱动器故障。以下总结了一些计算用于开关IGBT的驱动器输出性能的方法。
    2、栅极电荷体现IGBT的 特性
    IGBT模块的开关特性主要取决于半导体电容（电荷）及内部和外部的电阻。图1是IGBT电容的示意图，其中CGE是栅极-发射极电容、CCE是集电极-发射极电容、CGC是栅极-集电极电容（或称为米勒电容）。栅极电荷的特性由输入电容CGC和CGE来表示，它是计算IGBT驱动器电路所需输出功率的关键参数。该电容几乎不受温度影响，但与电压关系密切，是IGBT集电极-发射极电压VCE 的函数。当在集电极-发射极电压非常低时这种依赖性大幅提高，电压高时依赖性下降。当IGBT导通时，IGBT的特性由栅极电荷来体现。图2显示了栅极-发射极电压VGE、栅极电流IG和相应的集电极电流IC作为时间的函数，从IGBT导通到饱和这段时间的简化波形。正如IG=f(t)图所示，导通过程可以分为三个阶段。分别是栅极-发射极电容的充电，栅极-集电极电容的充电和栅极-发射极电容的充电直至IGBT全饱和。栅极电流IG对输入电容进行充电，IGBT的导通和关断特性由与充电过程有关的电压VGE和VCE来体现。在关断期间，所描述的过程运行在相反的方向，电荷必须从栅极上移除。由于输入电容的非线性，为了计算驱动器输出功率，输入电容可能只被应用到某种范围。一种更为实际的确定驱动器输出功率的方法是利用栅极电荷特性。

    图 1  IGBT 的电容

    图 2   简化的栅极充电波形

    3、如何测量和确定栅极电荷
    栅极电荷可以通过一个简化的测试电路进行测量。当栅极电压VGE用示波器进行测量时，栅极由一个恒流源（QG=I*t）驱动。所确定的栅极电荷曲线（图3）可被用来计算驱动IGBT所需的每脉冲栅极电荷。总的删极-发射极电压可通过考虑所施加的栅极导通电压VG(on)和关断电压VG(off)之差来进行计算。图3中来自IGBT数据表的图表显示了在正象限和负象限的栅极电荷曲线。如果栅极电荷曲线只在正象限给出，则栅极电荷的幅值可由外插法读出。即使在没有栅极电荷曲线的情况下，通过使用输入电容Cies=CGE+CGC这一准确度稍差的方法也能确定栅极电荷[7] 。

    图 3   栅极充电特性[!--empirenews.page--]

    4、驱动器输出功率和栅极电流
    驱动IGBT所需触发电路的单独功率可被视作是预期开关频率和能量的函数，该能量用于对IGBT进行充放电。驱动器输出功率PGD(out)等于电能E乘以开关频率fSW，PGD(out)=EfSW。E等于栅极电荷乘以导通和关断电压的差值，E=QG(VG(on) - VG(off))。因此，驱动器的输出功率与栅极电荷、导通和关断电压以及开关频率有关，PGD(out)=QG(VG(on) - VG(off)) fSW。
对于IGBT驱动器电路的另一个关键要求是要有足够的电流可用于IGBT输入电容的充放电，从而导通和关断IGBT。栅极电流可用IGBT输入电容充电（图4）的方程来计算。所计算出的栅极电流是驱动器输出级每通道的最小平均输出电流，IG=IGE+ IGC= QGfSW。IGBT的开关时间受IGBT栅极的充放电控制。如果栅极峰值电流增大，则导通和关断时间将变短，且开关损耗减少。这显然也影响其他开关参数，如必须被监视的过电压应力。栅极充电电流可由栅极电阻RG(on)和RG(off)控制。理论峰值电流可以很容易计算出，IGPEAK=(VG(on) - VG(off))/(RG+RG(int))。这里，IGBT模块的内部栅极电阻RG(int)必须加以考虑。而在实际中，杂散电感使峰值电流小于可能的理论值。在某个IGBT驱动器的数据表中，所给出的最大峰值电流是当栅极电阻为最小值时的电流。如果这两个最大和最小的范围都超过了，其结果是驱动器的输出可能会受到损害。

    图 4   IGBT 的电容和栅极电流

    5、IGBT 驱动器的选择
    选取合适的IGBT驱动器需要考虑几点。驱动器的最大平均输出电流必须大于计算值，且驱动器的最大栅极峰值电流必须等于或大于最大计算栅极峰值电流。驱动器的输出电容必须能够提供IGBT栅极充放电所需的栅极电荷。当选择一个合适的驱动器时，驱动器数据表中所列出的每脉冲最大电荷必须被充分地考虑到。无论哪种应用，都可以很容易地通过使用DriverSel工具来选择合适的驱动器。DriverSel是一款免费软件工具，可从www.semikron.com下载。它基于上述的特点和方程，根据所选择的IGBT模块类型、并联模块的数量、栅极电阻、开关频率以及集电极-发射极电压计算出合适的IGBT驱动器。该工具可用于驱动器的计算，任何品牌和IGBT封装的选择，以及计算所需的栅极电荷和平均电流。