搜索
应用指南版本号：发布日期：作者：002007-10-31MarkusHermwille关键词：IGBT驱动器，计算，栅极电荷，功率，栅极电流IGBT驱动器的计算AN-70041/82007-10-31–Rev00©bySEMIKRON引言................................................................................................................................................................1栅极电荷曲线..................................................................................................................................................1测量栅极电荷..................................................................................................................................................3确定栅极电荷..................................................................................................................................................3驱动器输出功率..............................................................................................................................................5栅极电流.........................................................................................................................................................5栅极峰值电流..................................................................................................................................................6选择合适的IGBT驱动器.................................................................................................................................6DriverSel–简便的IGBT驱动器计算方法........................................................................................................6符号和术语.....................................................................................................................................................7参考文献.........................................................................................................................................................8本应用指南提供了关于确定用于开关IGBT的驱动器输出性能的信息。所提供的信息仅包括提示并不包含完整的设计规则。信息并不全面，设计是否合适取决于用户自己。引言引言引言引言除功率模块自身外，电力电子系统的一个关键器件是IGBT驱动器，它在功率晶体管和控制器之间形成了一个极为重要的接口。基于这个原因，驱动器的选择和驱动器输出功率的正确计算与转换器方案的可靠性紧密相连。驱动力的不足或驱动器选择错误可能会导致模块和驱动器故障。栅极电荷曲线栅极电荷曲线栅极电荷曲线栅极电荷曲线IGBT模块的开关行为（导通和关断）取决于它的结构、内部电容（电荷）以及内部和外部阻抗。当需要计算IGBT驱动器电路的输出功率时，关键的参数是栅极电荷。栅极电荷由等效输入电容CGC和CGE决定。IGBT电容电容电容电容COLLECTOR:集电极EMITTER:发射极GATE:栅极下表说明了电容的命名。在IGBT数据表中，这些电容被指定为在“关断”状态下IGBT的受电压影响的低信号电容。这些电容是不受温度影响，但是受集电极-发射极电压影响，如下面的曲线所示。当集电极-发射极电压非常低时，这种依赖性将大幅度提高。应用指南应用指南应用指南应用指南AN-70042/82007-10-31–Rev00©bySEMIKRON寄生寄生寄生寄生电容电容电容电容和和和和低信号电容低信号电容低信号电容低信号电容Cies,Coes,Cres=f(VCE)电容电容电容电容意义意义意义意义CGE栅极-发射极电容CCE集电极-发射极电容CGC栅极-集电极电容（密勒电容）低信号电容低信号电容低信号电容低信号电容意义意义意义意义Cies=CGE+CGC输入电容Cres=CGC反向传输电容Coes=CGC+CCE输出电容VGE=0Vf=1MHz下表给出了IGBT导通期间简化的栅极电荷波形VGE=f(t)、IG=f(t)、VCE=f(t)和IC=f(t)。导通过程可分为三个阶段，分别为栅极-发射极电容充电阶段、栅极-集电极电容充电阶段和栅极-发射极电容充电直到IGBT完全饱和阶段。对于开关特性和驱动器的计算，输入电容可能只具有一定程度的影响。确定驱动器输出功率更实际的方法是采用IGBT数据表中给出的栅极电荷特性。该特性给出了栅极-发射级电压VGE和栅极电荷QG之间的关系。在IGBT模块的额定电流下，栅极电荷线性增长。栅极电荷也依赖于直流环节电压，尽管程度较轻。在更高的运行电压下，由于密勒电容的巨大影响，栅极电荷增大。在大多数应用中，该影响可忽略不计。简化的栅极电荷波形简化的栅极电荷波形简化的栅极电荷波形简化的栅极电荷波形栅极电荷特征栅极电荷特征栅极电荷特征栅极电荷特征应用指南应用指南应用指南应用指南AN-70043/82007-10-31–Rev00©bySEMIKRONt0开关时间段:栅极电流IG对输入电容CGE充电，栅极-发射极电压VGE增大至VGE(th)。根据栅极电阻的值，该状态下的电流可能达几安培。由于VGE仍低于VGE(th)，此阶段无集电极电流流过，并且VCE与VCC相等。t1开关时间段:一旦VGE超过VGE(th)，IGBT的导通过程开始。IC开始增大并达到全负载电流IC(load)，该电流对于理想的续流二极管（如简化的波形图所示）有效。对于实际的续流二极管，IC超过IC(load)。这是因为在相反的方向上流有反向恢复电流，该电流加到了IC(load)上。由于续流二极管在t2部分的开始阶段仍传导电流，集电极-发射极电压将不会下降。VGE达到平台电压VGE(pl)。t2开关时间段:VGE维持为VGE(pl)。当续流二极管关断，VCE开始快速下降，此时dvCE/dt大。t3开关时间段:当VCE降至导通态电压VCEsat，当电压下降时，密勒电容CGC增大并由IG充电。VGE仍旧维持在VGE(pl)水平。t4开关时间段:在t4部分的开始阶段，IGBT完全导通。传导至CGE的电荷使VGE指数级增大至栅极控制电压VGE(on)。IG按指数形式衰减到0，而VCE达到VCEsat。关断过程是按上述过程的反向运行。电荷必须从栅极移除。测量栅极电荷测量栅极电荷测量栅极电荷测量栅极电荷下表中给出了一个可以测量栅极电贺的简化测试电路。栅极由恒流源供电。此外，集电极上施加了一个脉冲恒流。由于QG=IG×t，恒定的栅极电流使得被测波形VGE=f(t)与VGE=f(QG)相等。文档IEC60747-9,Ed.2:SemiconductorDevices–DiscreteDevices–Part9:Insulated-GateBipolarTransistors(IGBTs)描述了栅极电荷的测试方法。栅极电荷测量的基本测试电路栅极电荷测量的基本测试电路栅极电荷测量的基本测试电路栅极电荷测量的基本测试电路波形波形波形波形VGE=f(t)⇔⇔⇔⇔VGE=f(QG)确定栅极确定栅极确定栅极确定栅极电荷电荷电荷电荷用于驱动IGB所需的每脉冲栅极电荷可由栅极电荷特性图确定，该图给出了栅极-发射极和栅极电荷之间的关系。总栅极电荷可通过考虑所施加的栅极电压的幅值读出，即从导通栅极电压VG(on)到关断栅极电压VG(off)。赛米控的IGBT数据表给出了正负象限的栅极电荷曲线。如果只给出了正象限的栅极电荷曲线，栅极电荷幅值可通过外推法读出，如下表所示。亮绿色表示IGBT数据表中所给的图表区域。沿栅极电荷曲线平行移动亮绿色区域到负象限并达到VG(off)，可以确定栅极电荷的幅值。应用指南应用指南应用指南应用指南AN-70044/82007-10-31–Rev00©bySEMIKRON栅极电荷特征栅极电荷特征栅极电荷特征栅极电荷特征（（（（以以以以SKM400GB126D为例）为例）为例）为例）外推法外推法外推法外推法VG(off)VG(on)QG确定栅极电荷的另一个方法是使用输入电容Cies和一个特别因子，而不是栅极电荷曲线。IGBT数据表给出了Cies的值。在适当的时间，必须具备必要的栅极电荷或每脉冲充电能量。这只能通过在驱动器输出级使用低阻抗、低电感输出电容来获得。电容的大小由计算出的QG表示。栅极电荷是确定驱动器输出功率和栅极电流的基本参数。带带带带Cies的的的的栅极电荷计算方法方法方法方法栅极电荷可表示为：)VV(CQ)off(G)on(GGG-×=其中iesCGCkC×=栅极电容因子kc可近似计算为)VV(CQk)off(G)on(Gies)ds(GC-×=其中QG(ds)在IGBT数据表中指定，VG(on和VG(off)是施加在QG(ds)上的栅极电压。因此，另一种栅极电荷的计算方法如下：)VV(CkQ)off(G)on(GiesCG-××=请注意：请注意：请注意：请注意：本方法并不完全精确，只能应用在无栅极电荷波形的情况下。应用指南应用指南应用指南应用指南AN-70045/82007-10-31–Rev00©bySEMIKRON驱动器输出功率驱动器输出功率驱动器输出功率驱动器输出功率可以看出，驱动IGBT所需的各个内部供给的功率可以看作是预期开关频率和用于对IGB进行充放电的能量的函数。每通道驱动器输出功率的计算每通道驱动器输出功率的计算每通道驱动器输出功率的计算每通道驱动器输出功率的计算功率可表示为sw)out(GDfEP×=替换)VV(QE)off(G)on(GG-×=,则每通道驱动器输出功率为：sw)off(G)on(GG)out(GDf)VV(QP×-×=使用Cies方法近似计算驱动器功率：sw2)off(G)on(GiesC)out(GDf)VV(CkP×-××=栅极电流栅极电流栅极电流栅极电流IGBT驱动电路的一个关键要求是提供足够的电流对IGBT的输入电容进行充放电，从而可以导通和关断IGB