复合全控型电压驱动式功率半导体器件

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

图1

图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

IGBT驱动电路是驱动IGBT模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护的电路。

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。

图2

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-集电极电容或称米勒电容（Miller Capacitor）。门极输入电容Cies 由CGE 和CGC 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VCE 的电压有密切联系。在IGBT数据手册中给出的电容Cies 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VCE=600V 时要大一些(如图2)。由于门极的测量电压太低(VGE=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Cin值要比IGBT 数据手册中给出的电容Cies 值大很多。因此，在IGBT数据手册中给出的电容Cies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QG(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 = QG · UGE = QG · [ VG(on) - VG(off) ]

门极驱动功率 PG = E · fSW = QG · [ VG(on) - VG(off) ] · fSW

驱动器总功率 P = PG + PS（驱动器的功耗）

平均输出电流 IoutAV = PG / ΔUGE = QG · fSW

最高开关频率 fSW max. = IoutAV(mA) / QG(μC)

峰值电流IG MAX = ΔUGE / RG min = [ VG(on) - VG(off) ] / RG min

其中的 RG min = RG extern + RG intern

fsw max. : 最高开关频率IoutAV :单路的平均电流QG : 门极电压差时的 IGBT门极总电荷RG extern : IGBT 外部的门极电阻RG 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QG。

E = ∫IG · ΔUGE · dt= QG · ΔUGE

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Cies值近似地估算出门极电荷：

如果IGBT数据表给出的Cies的条件为VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的认为Cin=4.5Cies，

门极电荷 QG ≈ ΔUGE · Cies · 4.5 = [ VG(on) - VG(off) ] · Cies · 4.5

Cies : IGBT的输入电容（Cies 可从IGBT 手册中找到）

如果IGBT数据表给出的Cies的条件为VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的认为Cin=2.2Cies，

门极电荷 QG ≈ ΔUGE · Cies · 2.2 = [ VG(on) - VG(off) ] · Cies · 2.2

Cies : IGBT的输入电容（Cies 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Cies 近似计算负象限的门极电荷会更接近实际值：

门极电荷 QG ≈ QG(on) + ΔUGE · Cies · 4.5 = QG(on) + [ 0 - VG(off) ] · Cies · 4.5

-- 适用于Cies 的测试条件为 VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT

门极电荷 QG ≈ QG(on) + ΔUGE · Cies · 2.2 = QG(on) + [ 0 - VG(off) ] · Cies · 2.2

-- 适用于Cies 的测试条件为 VCE = 10 V, VGE = 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IoutAV 及门极驱动功率PG。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IoutPEAK 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Visol IO 和dv/dt 能力。

IGBT驱动电路

Rlimit =10～100Ω,C=10～470μF,Creset=10nF.

一、栅极电阻Rg的作用

1、消除栅极振荡

绝缘栅器件(IGBT、MOSFET)的栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电感又是不可避免的，如果没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡，因此必须串联一个电阻加以迅速衰减。

2、转移驱动器的功率损耗

电容电感都是无功元件，如果没有栅极电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其温度上升很多。

3、调节功率开关器件的通断速度

栅极电阻小，开关器件通断快，开关损耗小；反之则慢，同时开关损耗大。但驱动速度过快将使开关器件的电压和电流变化率大大提高，从而产生较大的干扰，严重的将使整个装置无法工作，因此必须统筹兼顾。

二、栅极电阻的选取

1、栅极电阻阻值的确定

各种不同的考虑下，栅极电阻的选取会有很大的差异。初试可如下选取：

IGBT额定电流(A)

50

100

200

300

600

800

1000

1500

Rg阻值范围(Ω)

10~20

5.6~10

3.9~7.5

3~5.6

1.6~3

1.3~2.2

1~2

0.8~1.5

不同品牌的IGBT模块可能有各自的特定要求，可在其参数手册的推荐值附近调试。

2、栅极电阻功率的确定

栅极电阻的功率由IGBT栅极驱动的功率决定，一般来说栅极电阻的总功率应至少是栅极驱动功率的2倍。

IGBT栅极驱动功率 P=FUQ，其中：

F 为工作频率；

U 为驱动输出电压的峰峰值；

Q 为栅极电荷，可参考IGBT模块参数手册。

例如，常见IGBT驱动器(如TX-KA101)输出正电压15V，负电压-9V，则U=24V，

假设 F=10KHz，Q=2.8uC

可计算出 P=0.67w ，栅极电阻应选取2W电阻，或2个1W电阻并联。

三、设置栅极电阻的其他注意事项

1、尽量减小栅极回路的电感阻抗，具体的措施有：

a)驱动器靠近IGBT减小引线长度；

b) 驱动的栅射极引线绞合，并且不要用过粗的线；

c) 线路板上的 2 根驱动线的距离尽量靠近；

d) 栅极电阻使用无感电阻；

e) 如果是有感电阻，可以用几个并联以减小电感。

2、IGBT 开通和关断选取不同的栅极电阻

通常为达到更好的驱动效果，IGBT开通和关断可以采取不同的驱动速度，分别选取 Rgon和Rgoff（也称 Rg+ 和 Rg- ）往往是很必要的。

IGBT驱动器有些是开通和关断分别输出控制，只要分别接上Rgon和Rgoff就可以了。

有些驱动器只有一个输出端，这就要在原来的Rg 上再并联一个电阻和二极管的串联网络，用以调节2个方向的驱动速度。

3、在IGBT的栅射极间接上Rge=10－100K 电阻，防止在未接驱动引线的情况下，偶然加主电高压，通过米勒电容烧毁IGBT。所以用户最好再在IGBT的栅射极或MOSFET栅源间加装Rge。

播报

编辑

对于大功率IGBT，选择驱动电路基于以下的参数要求：器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。门极电路的正偏压VGE负偏压-VGE和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dv/dt电流等参数有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系见表1。栅极正电压 的变化对IGBT的开通特性、负载短路能力和dVcE/dt电流有较大影响，而门极负偏压则对关断特性的影响比较大。在门极电路的设计中，还要注意开通特性、负载短路能力和由dVcE/dt 电流引起的误触发等问题(见表1)。

表1 IGBT门极驱动条件与器件特性的关系

由于IGBT的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化，因而驱动电路性能的好坏将直接影响IGBT能否正常工作。为使IGBT能可靠工作。IGBT对其驱动电路提出了以下要求。

驱动电路图

1)向IGBT提供适当的正向栅压。并且在IGBT导通后。栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，使IGBT的功率输出级总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区。IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关，在漏源电流一定的情况下，VGE越高，VDS值就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允许超过20 V，原因是一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。通常，综合考虑取+15 V为宜。

2)能向IGBT提供足够的反向栅压。在IGBT关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态，增加管子的功耗。重则将使调压电路处于短路直通状态。因此，最好给处于截止状态的IGBT加一反向栅压(幅值一般为5～15 V)，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。

3)具有栅极电压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为+20 V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。

4)由于IGBT多用于高压场合。要求有足够的输入、输出电隔离能力。所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。

5)IGBT的栅极驱动电路应尽可能的简单、实用。应具有IGBT的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗应尽可能的低。

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