詳解IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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2022-05-06 11:17:15 8

IGBT，中文名字為絕緣柵雙極型晶體管，它是由MOSFET（輸入級(jí)）和PNP晶體管（輸出級(jí)）復(fù)合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開關(guān)速度快的特點(diǎn)（控制和響應(yīng)），又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(diǎn)（功率級(jí)較為耐用），頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)。

理想等效電路與實(shí)際等效電路如圖所示：

IGBT 的靜態(tài)特性一般用不到，暫時(shí)不用考慮，重點(diǎn)考慮動(dòng)態(tài)特性（開關(guān)特性）。
動(dòng)態(tài)特性的簡(jiǎn)易過(guò)程可從下面的表格和圖形中獲取：

IGBT的開通過(guò)程

IGBT 在開通過(guò)程中，分為幾段時(shí)間

1.與MOSFET類似的開通過(guò)程，也是分為三段的充電時(shí)間

2.只是在漏源DS電壓下降過(guò)程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和過(guò)程中增加了一段延遲時(shí)間。

在上面的表格中，定義了：開通時(shí)間Ton，上升時(shí)間Tr和Tr.i

除了這兩個(gè)時(shí)間以外，還有一個(gè)時(shí)間為開通延遲時(shí)間td.on:td.on=Ton-Tr.i

IGBT在關(guān)斷過(guò)程

IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍?/span>

*段是按照MOS管關(guān)斷的特性的

第二段是在MOSFET關(guān)斷后，PNP晶體管上存儲(chǔ)的電荷難以迅速釋放，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間。

在上面的表格中，定義了：關(guān)斷時(shí)間Toff，下降時(shí)間Tf和Tf.i

除了表格中以外，還定義

trv為DS端電壓的上升時(shí)間和關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)。

漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而總的關(guān)斷時(shí)間可以稱為toff=td(off)+trv十t(f)，td(off)+trv之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。

從下面圖中可看出詳細(xì)的柵極電流和柵極電壓，CE電流和CE電壓的關(guān)系：

從另外一張圖中細(xì)看MOS管與IGBT管柵極特性可能更有一個(gè)清楚的概念：

開啟過(guò)程

關(guān)斷過(guò)程

嘗試去計(jì)算IGBT的開啟過(guò)程，主要是時(shí)間和門電阻的散熱情況。

C.GE 柵極-發(fā)射極電容
C.CE 集電極-發(fā)射極電容
C.GC 門級(jí)-集電極電容（米勒電容）

Cies = CGE + CGC 輸入電容
Cres = CGC 反向電容
Coes = CGC + CCE 輸出電容

根據(jù)充電的詳細(xì)過(guò)程，可以下圖所示的過(guò)程進(jìn)行分析

對(duì)應(yīng)的電流可簡(jiǎn)單用下圖所示：

第1階段：柵級(jí)電流對(duì)電容CGE進(jìn)行充電，柵射電壓VGE上升到開啟閾值電壓VGE(th)。這個(gè)過(guò)程電流很大，甚至可以達(dá)到幾安培的瞬態(tài)電流。在這個(gè)階段，集電極是沒有電流的，極電壓也沒有變化，這段時(shí)間也就是死區(qū)時(shí)間，由于只對(duì)GE電容充電，相對(duì)來(lái)說(shuō)這是比較容易計(jì)算的，由于我們采用電壓源供電，這段曲線確實(shí)是一階指數(shù)曲線。

第2階段：柵極電流對(duì)Cge和Cgc電容充電，IGBT的開始開啟的過(guò)程了，集電極電流開始增加，達(dá)到最大負(fù)載電流電流IC，由于存在二極管的反向恢復(fù)電流，因此這個(gè)過(guò)程與MOS管的過(guò)程略有不同，同時(shí)柵極電壓也達(dá)到了米勒平臺(tái)電壓。

第3階段：柵極電流對(duì)Cge和Cgc電容充電，這個(gè)時(shí)候VGE是完全不變的，值得我們注意的是Vce的變化非常快。

第4階段：柵極電流對(duì)Cge和Cgc電容充電，隨著Vce緩慢變化成穩(wěn)態(tài)電壓，米勒電容也隨著電壓的減小而增大。Vge仍舊維持在米勒平臺(tái)上。

第5階段：這個(gè)時(shí)候柵極電流繼續(xù)對(duì)Cge充電，Vge電壓開始上升，整個(gè)IGBT完全打開。

我的一個(gè)同事在做這個(gè)將整個(gè)過(guò)程等效為一階過(guò)程。

如果以這個(gè)電路作為驅(qū)動(dòng)電路的話：

驅(qū)動(dòng)的等效電路可以表示為：

利用RC的充放電曲線可得出時(shí)間和電阻的功率。

這么算的話，就等于用指數(shù)曲線，代替了整個(gè)上升過(guò)程，結(jié)果與等效的過(guò)程還是有些差距的。

不過(guò)由于C.GE，C.CE，C.GC是變化的，而且電容兩端的電壓時(shí)刻在變化，我們無(wú)法完全整理出一條思路來(lái)。

很多供應(yīng)商都是推薦使用Qg來(lái)做運(yùn)算，計(jì)算方法也可以整理出來(lái)，*的變化在于Qg是在一定條件下測(cè)定的，我們并不知道這種做法的容差是多少。

我覺得這種做法的最大的問(wèn)題是把整個(gè)Tsw全部作為充放電的時(shí)間，對(duì)此還是略有些疑惑的。

說(shuō)說(shuō)我個(gè)人的看法，對(duì)這個(gè)問(wèn)題，定量的去計(jì)算得到整個(gè)時(shí)間非常困難，其實(shí)就是仿真也是通過(guò)數(shù)字建模之后進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算的結(jié)果，這個(gè)模型與實(shí)際的條件進(jìn)行對(duì)比也可能有很大的差距。

因此如果有人要核算整個(gè)柵極控制時(shí)序和時(shí)間，利用電容充電的辦法大致給出一個(gè)很粗略的結(jié)果是可以的，如果要精確的，算不出來(lái)。

對(duì)于門級(jí)電阻來(lái)說(shuō)，每次開關(guān)都屬于瞬態(tài)功耗，可以使用以前介紹過(guò)的電阻的瞬態(tài)功率進(jìn)行驗(yàn)算吧。

電阻抗脈沖能力

我們選電阻的大小是為了提供足夠的電流，也是為了足夠自身散熱情況。

前級(jí)的三極管，這個(gè)三極管的速度要非常快，否則如果進(jìn)入飽和的時(shí)間不夠短，在充電的時(shí)候?qū)⒖赡苡秀Q制作用，因此我對(duì)于這個(gè)電路的看法是一定要做測(cè)試。空載的和帶負(fù)載的，可能情況有很大的差異。

柵極驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)歷程和辦法（針對(duì)米勒平臺(tái)關(guān)斷特性）

前面都講了一些計(jì)算的東西，這次總結(jié)一些設(shè)計(jì)法則。

柵極電阻：其目的是改善控制脈沖上升沿和下降沿的斜率，并且防止寄生電感與電容振蕩，限制IGBT集電極電壓的尖脈沖值。

柵極電阻值小——充放電較快，能減小開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗，增強(qiáng)工作的耐固性，避免帶來(lái)因dv/dt的誤導(dǎo)通。缺點(diǎn)是電路中存在雜散電感在IGBT上產(chǎn)生大的電壓尖峰，使得柵極承受噪聲能力小，易產(chǎn)生寄生振蕩。

柵極電阻值大——充放電較慢，開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗增大。

一般的：開通電壓15V±10%的正柵極電壓，可產(chǎn)生完全飽和，而且開關(guān)損耗最小，當(dāng)<12V時(shí)通態(tài)損耗加大，>20V時(shí)難以實(shí)現(xiàn)過(guò)流及短路保護(hù)。關(guān)斷偏壓-5到-15V目的是出現(xiàn)噪聲仍可有效關(guān)斷，并可減小關(guān)斷損耗最佳值約為-8～10V。

柵極參數(shù)對(duì)電路的影響

IGBT內(nèi)部的續(xù)流二極管的開關(guān)特性也受柵極電阻的影響，并也會(huì)限制我們選取柵極阻抗的最小值。IGBT的導(dǎo)通開關(guān)速度實(shí)質(zhì)上只能與所用續(xù)流二極管反向恢復(fù)特性相兼容的水平。柵極電阻的減小不僅增大了IGBT的過(guò)電壓應(yīng)力，而且由于IGBT模塊中di/dt的增大，也增大了續(xù)流二極管的過(guò)壓極限。

柵極電阻與關(guān)斷變化圖

柵極驅(qū)動(dòng)的印刷電路板布線需要非常注意，核心問(wèn)題是降低寄生電感，對(duì)防止?jié)撛诘恼袷帲瑬艠O電壓上升速率，噪音損耗的降低，降低柵極電壓的需求或減小柵極保護(hù)電路的效率有較大的影響。

措施

因此將驅(qū)動(dòng)至柵極的引線加粗，將之間的寄生電感減至最低。控制板與柵極驅(qū)動(dòng)電路需要防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。

當(dāng)控制板和IGBT控制端子不能直接連接時(shí)，考慮用雙股絞線(2轉(zhuǎn)/CM小于3CM長(zhǎng))或帶狀線，同軸線進(jìn)行連接。

柵極保護(hù)

為了保險(xiǎn)起見，可采用TVS等柵極箝位保護(hù)電路，考慮放置于靠近IGBT模塊的柵極和發(fā)射極控制端子附近。IGBT基礎(chǔ)與運(yùn)用-2 中英飛凌的電路比較典型。

耦合干擾與噪聲

IGBT的開關(guān)會(huì)使用相互電位改變，PCB板的連線之間彼此不宜太近，過(guò)高的dv/dt會(huì)由寄生電容產(chǎn)生耦合噪聲。要減少器件之間的寄生電容，避免產(chǎn)生耦合噪聲。

由于IGBT等功率器件都存在一定的結(jié)電容，所以會(huì)造成器件導(dǎo)通關(guān)斷的延遲現(xiàn)象。雖然我們盡量考慮去降低該影響（提高控制極驅(qū)動(dòng)電壓電流，設(shè)置結(jié)電容釋放回路等）。但是為了防止關(guān)斷延遲效應(yīng)造成上下橋臂直通，因?yàn)橐粋€(gè)橋臂未完全關(guān)斷，而另一橋臂又處于導(dǎo)通狀態(tài)，直通炸模塊后后果非常嚴(yán)重（最好的結(jié)果是過(guò)熱）。

死區(qū)時(shí)間（空載時(shí)間）設(shè)置

在控制中，人為加入上下橋臂同時(shí)關(guān)斷時(shí)間，以保證驅(qū)動(dòng)的安全性。死區(qū)時(shí)間大，模塊工作更加可靠，但會(huì)帶來(lái)輸出波形的失真及降低輸出效率。死區(qū)時(shí)間小，輸出波形要好一些，只是會(huì)降低可靠性，一般為us級(jí)，典型數(shù)值在3us以上。

在汽車電子應(yīng)用中，特別要注意環(huán)境溫度對(duì)toff的影響很大，使得toff延長(zhǎng)，并且柵極電阻的加入也是的關(guān)斷時(shí)間受一定的影響，因此需要進(jìn)行調(diào)整。

IGBT柵極引起的問(wèn)題列表（紅色部分圈注的）：

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