北京普尔盛电子技术有限公司/POWER-SEM ELECTRONIC TECHNIQUE CO.LTD.

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*普尔盛驱动技术有限公司

应用

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在今天的电力电子领域中已经得到广泛的应用，在实际使用中除IGBT自身外，IGBT 驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致 IGBT 和驱动器损坏。以下总结了一些关于IGBT驱动器输出性能的计算方法以供选型时参考。

IGBT 的开关特性主要取决于IGBT的门极电荷及内部和外部的电阻。图1是IGBT 门极电容分布示意图，其中C_GE 是栅极-发射极电容、C_CE 是集电极-发射极电容、C_GC 是栅极-集电极电容或称米勒电容（Miller Capacitor）。门极输入电容C_ies 由C_GE和C_GC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IGBT集电极-发射极电压V_CE的电压有密切联系。在IGBT数据手册中给出的电容C_ies 的值，在实际电路应用中不是一个特别有用的参数，因为它是通过电桥测得的，在测量电路中，加在集电极上C 的电压一般只有25V(有些厂家为10V)，在这种测量条件下，所测得的结电容要比V_CE=600V 时要大一些(如图2)。由于门极的测量电压太低(V_GE=0V )而不是门极的门槛电压，在实际开关中存在的米勒效应（Miller 效应）在测量中也没有被包括在内，在实际使用中的门极电容C_in值要比IGBT 数据手册中给出的电容C_ies值大很多。因此，在IGBT数据手册中给出的电容C_ies值在实际应用中仅仅只能作为一个参考值使用。

确定IGBT 的门极电荷
对于设计一个驱动器来说，最重要的参数是门极电荷Q_G(门极电压差时的IGBT 门极总电荷)，如果在IGBT 数据手册中能够找到这个参数，那么我们就可以运用公式计算出：

门极驱动能量 E = Q_G • U_GE = Q_G • [ V_G(on) - V_G(off)]

门极驱动功率 P_G = E • f_SW = Q_G • [ V_G(on) - V_G(off) ] • f_SW

驱动器总功率 P = P_G + P_S（驱动器的功耗）

平均输出电流 I_outAV = P_G / ΔU_GE = Q_G • f_SW

最高开关频率 f_{SW max.} = I_outAV(mA) / Q_G(μC)

峰值电流 I_{G MAX} = ΔU_GE / R_{G min} = [ V_G(on) - V_G(off) ] / R_{G min}

其中的 R_{G min} = R_{G extern} + R_{G intern}

f_{sw max.}: 最高开关频率
I_outAV: 单路的平均电流
Q_G: 门极电压差时的 IGBT门极总电荷
R_{G extern}: IGBT 外部的门极电阻
R_{G intern}: IGBT 芯片内部的门极电阻

但是实际上在很多情况下，数据手册中这个门极电荷参数没有给出，门极电压在上升过程中的充电过程也没有描述。这时候最好是按照 IEC 60747-9-2001 - Semiconductor devices - Discrete devices - Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) 所给出的测试方法测量出开通能量E，然后再计算出Q_G。

E = ∫I_G • ΔU_GE • dt = Q_G • ΔU_GE

这种方法虽然准确但太繁琐，一般情况下我们可以简单地利用IGBT数据手册中所给出的输入电容C_ies值近似地估算出门极电荷：
如果IGBT数据表给出的C_ies的条件为V_CE = 25 V, V_GE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的认为C_in=4.5C_ies，

门极电荷 Q_G ≈ ΔU_GE • C_ies • 4.5 = [ V_G(on)- V_G(off) ] • C_ies • 4.5
C_ies : IGBT的输入电容（C_ies 可从IGBT 手册中找到）

如果IGBT数据表给出的C_ies的条件为V_CE = 10 V, V_GE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的认为C_in=2.2C_ies，

门极电荷 Q_G ≈ ΔU_GE • C_ies • 2.2 = [ V_G(on)- V_G(off) ] • C_ies • 2.2
C_ies : IGBT的输入电容（C_ies 可从IGBT 手册中找到）

如果IGBT数据手册中已经给出了正象限的门极电荷曲线，那么只用C_ies近似计算负象限的门极电荷会更接近实际值：

门极电荷 Q_G ≈ Q_G(on) + ΔU_GE • C_ies • 4.5 = Q_G(on) + [ 0 - V_G(off) ] • C_ies • 4.5
-- 适用于C_ies 的测试条件为 V_CE = 25 V, V_GE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT

门极电荷 Q_G ≈ Q_G(on) + ΔU_GE • C_ies • 2.2 = Q_G(on) + [ 0 - V_G(off) ] • C_ies • 2.2
-- 适用于C_ies 的测试条件为 V_CE = 10 V, V_GE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT

当为各个应用选择IGBT驱动器时，必须考虑下列细节：
• 驱动器必须能够提供所需的门极平均电流I_outAV 及门极驱动功率P_G。驱动器的最大平均输出电流必须大于计算值。
• 驱动器的输出峰值电流I_outPEAK必须大于等于计算得到的最大峰值电流。
• 驱动器的最大输出门极电容量必须能够提供所需的门极电荷以对IGBT 的门极充放电。在POWER-SEM 驱动器的数据表中，给出了每脉冲的最大输出电荷，该值在选择驱动器时必须要考虑。
另外在IGBT驱动器选择中还应该注意的参数包括绝缘电压V_{isol IO} 和dv/dt 能力。