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1、M(JSFEInpnIGBT基础与运用IGBT,中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由MOSFET （输入级）和 PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和 开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大 的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可 正常工作于几十kHz频率范围内。理想等效电路与实际等效电路如图所示：90pop实际等蛰电路IGBT的静态特性一般用不到，暂时不用考虑，重点考虑动态特性（开 关特性）。动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取：JTififlJH(Turn on HnieltoilIGBT
2、 ililit Vgf :脚017 后,Vce !；陥讣 /.( li-.i mu jiii1. F|时闹(Raise time)trIGBTMill，战址吐极电盜上卜到绘人肯抽W%帼开 如 简认苗F带训展人庞的10%为H.的IIMUtr(GIGBT lm.眠堆电棍电讹LU训肌人直側ItniiJ K 亍1匚刑 W.rJll Ifnl鹽i阿闾rdTTCBT集將记从Vce F降和駅尢他前9他时幵纽勇 址电袍电浇乍f絳电流的切赠i；msj iowjii們和 阎(Fall riimitfIGBT XiSfH-J 班电摄哂就从域女曲的 恥 n-i.在f l：,W 丁応1哄丿丨肚M反佝铁观时何(Rever
3、se recovery liiii讪tir蝌卩 阪:十；咖反-；1匚i丄电岳门 i 1所,汕hiin阪向协虫tfeirl(Revfrse i-ervcrv run nirlTn i.Trpj的内St二规習中iE方向电西撕箭时廉商向舐动的电洗 怕|沏IGBT的开通过程IGBT在开通过程中，分为几段时间1与MOSFET类似的开通过程，也是分为三段的充电时间2.只是在漏源DS电压下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和过程中增加 了一段延迟时间。在上面的表格中，定义了了：开通时间Ton,上升时间Tr和Tr.i 除了这两个时间以外，还有一个时间为开通延迟时间t d.on: td.on二Ton- Tr.
4、iIGBT在关断过程IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。第一段是按照MOS管关断的特性的。第二段是在MOSFET关断后，PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放，造 成漏极电流较长的尾部时间。在上面的表格中，定义了了：关断时间Toff，下降时间Tf和Tf.i 除了表格中以外，还定义trv为DS端电压的上升时间和关断延迟时间 td(off)。漏极电流的下降时间Tf由图中的t (fl)和t (f2)两段组成，而总的关断 时间可以称为toff二td(off)+ trv十t (f)，td(off)+ trv之和又称为存储时 间。从下面图中可看出详细的栅极电流和栅极电压，CE电流和CE电压的关 系
5、：uiTPntaLo0从另外一张图中细看MOS管与IGBT管栅极特性可能更有一个清楚的概Co Ilf tior voluipi?L I i l|CollLtlor% ol hifteGai*? rm rejilI ilF i- ill ： l!iC oil e norCurrent i Cuirn?nt 2in reiil-Cun lit I念：畑=ov f = tmuzCies = CGE + CGC 输入电容Cres = CGC反向电容Coes = CGC + CCE 输出电容根据充电的详细过程，可以下图所示的过程进行分析对应的电流可简单用下图所示:栅级电流对电容CGE进行充电，栅射电压V
6、GE上升到开启阈值电压 VGE(th)。这个过程电流很大，甚至可以达到几安培的瞬态电流。在这个阶 段，集电极是没有电流的，极电压也没有变化，这段时间也就是死区时间， 由于只对GE电容充电，相对来说这是比较容易计算的，由于我们采用电压 源供电，这段曲线确实是一阶指数曲线。第2阶段：栅极电流对Cge和Cgc电容充电，IGBT的开始开启的过程了，集电极电 流开始增加，达到最大负载电流电流IC，由于存在二极管的反向恢复电流， 因此这个过程与MOS管的过程略有不同，同时栅极电压也达到了米勒平台电 压。第3阶段：栅极电流对Cge和Cgc电容充电，这个时候VGE是完全不变的，值得我 们注意的是Vce的变化非
7、常快。第4阶段：栅极电流对Cge和Cgc电容充电，随着Vce缓慢变化成稳态电压，米勒 电容也随着电压的减小而增大。Vge仍旧维持在米勒平台上。第5阶段：这个时候栅极电流继续对Cge充电，Vge电压开始上升，整个IGBT完全 打开。如果以这个电路作为驱动电路的话:*153-3 IV?1fWru,v7RONOW J1 Mop IDOv.-gO-II血坨刊恥匕二ILLGCr J-FAESIDCZ6MH二A厂&XTRI GNDiliTV/XTRjT；I I COL1 Wn.5D-.QC7R( K201QZVEEJ mi i 匚口 GNQ1 VEt riMDT VEJ! DUIIN-CLW-ftDYGN
8、D2VC Q ifRST VCC3 FFLTDESATth I v-y.5v利用RC的充放电曲线可得出时间和电阻的功率。这么算的话，就等于用 指数曲线，代替了整个上升过程，结果与等效的过程还是有些差距的。不过由于C.GE，C.CE，C.GC是变化的，而且电容两端的电压时刻在变 化，我们无法完全整理出一条思路来。推荐使用Qg来做运算，计算方法也可以整理出来，唯一的变化在于Qg 是在一定条件下测定的，我们并不知道这种做法的容差是多少。Qg = Cgx(VTsw全部作为充放电的时间，对我觉得这种做法的最大的问题是把整个 此还是略有些疑惑的。idt7 g*VGG-卩5曲：! = kc X x(- Vg
9、(Qfl|)3 X =+15V说说我个人的看法，对这个问题，定量的去计算得到整个时间非常困难, 其实就是仿真也是通过数字建模之后进行实时计算的结果，这个模型与实际*WIC：4皿lkflldxl r(UIWWWWhirtiiwt,WV it?5 j. w *”2* i即MIVERMIVER砸小械小威小ts.fJIJ耳小尿低IfijjllH遥浪汕电压X.師血叩1汕、dv/(ti :ZfiVZffiijii减小电就限制的熾加（减小L枚射余波tftilll减小的条件进行对比也可能有很大的差距。因此如果有人要核算整个栅极控制时序和时间，利用电容充电的办法大 致给出一个很粗略的结果是可以的，如果要精确的，
10、算不出来。对于门级电 阻来说，每次开关都属于瞬态功耗，可以使用以前介绍过的电阻的瞬态功率 进行验算吧。 电阻抗脉冲能力我们选电阻的大小是为了提供足够的电流，也是为了足够自身散热情况。 前级的三极管，这个三极管的速度要非常快，否则如果进入饱和的时间不够 短，在充电的时候将可能有钳制作用，因此我对于这个电路的看法是一定要 做测试。空载的和带负载的，可能情况有很大的差异。 栅极驱动的改进历程和办法（针对米勒平台关断特性）前面都讲了一些计算的东西，这次总结一些设计法则。栅极电阻：其目 的是改善控制脉冲上升沿和下降沿的斜率，并且防止寄生电感与电容振荡， 限制IGBT集电极电压的尖脉冲值。栅极电阻值小一一
11、充放电较快，能减小开关时间和开关损耗，增强工作 的耐固性，避免带来因dv/dt的误导通。缺点是电路中存在杂散电感在IGBT 上产生大的电压尖峰，使得栅极承受噪声能力小，易产生寄生振荡。 栅极电阻值大充放电较慢，开关时间和开关损耗增大。一般的：开通电压15V10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关 损耗最小，当12V时通态损耗加大，20V时难以实现过流及短路保护。关 断偏压-5至【-15V目的是出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值 约为-810V。栅极参数对电路的影响IGBT内部的续流二极管的开关特性也受栅极电阻的影响，并也会限制 我们选取栅极阻抗的最小值。IGBT的导通开关速度实质
12、上只能与所用续流二 极管反向恢复特性相 兼容的水平。栅极电阻的减小不仅增大了 IGBT的过电 压应力，而且由于IGBT模块中di/dt的增大，也增大了续流二极管的过压 极限。栅极电阻与关断变化图栅极驱动的印刷电路板布线需要非常注意，核心问题是降低寄生电感， 对防止潜在的振荡，栅极电压上升速率，噪音损耗的降低，降低栅极电压的措施因此将驱动至栅极的引线加粗，将之间的寄生电感减至最低。控制板与 栅极驱动电路需要防止功率电路和控制电路之间的电感耦合。当控制板和IGBT控制端子不能直接连接时，考虑用双股绞线（2转/CM 小于3CM长）或带状线，同轴线进行连接。栅极保护为了保险起见，可采用TVS等栅极箝位
13、保护电路，考虑放置于靠近IGBT 模块的栅极和发射极控制端子附近。耦合干扰与噪声IGBT的开关会使用相互电位改变，PCB板的连线之间彼此不宜太近，过 高的dv/dt会由寄生电容产生耦合噪声。要减少器件之间的寄生电容，避免 产生耦合噪声。IGBT等功率器件都存在一定的结电容，所以会造成器件导通关断的延迟现象。虽然我们尽量考虑去降低该影响（提高控制极驱动电压电流，设置结 电容释放 回路等）。但是为了防止关断延迟效应造成上下桥臂直通，因为 一个桥臂未完全关断，而另一桥臂又处于导通状态，直通炸模块后后果非常 严重（最好的结果是过 热）。死区时间（空载时间）设置在控制中，人为加入上下桥臂同时关断时间，以
14、保证驱动的安全性。死 区时间大，模块工作更加可靠，但会带来输出波形的失真及降低输出效率。 死区时间小，输出波形要好一些，只是会降低可靠性，一般为us级，典型 数值在3us以上。UMOFFDNOFF1OFF1ON一；下也瘵门概疙号HL空我时间空戟时间在应用中，特别要注意环境温度对toff的影响很大，使得toff延长, 并且栅极电阻的加入也是的关断时间受一定的影响，因此需要进行调整。 IGBT栅极引起的问题列表（红色部分圈注的）：I过电坛I Vue过电压（集电极发射极间）|卜幵通浪猱电压II卜母线电压上升I卜控制信号异常II卜外来噪声（雷电浪浦）I-测越不完善匚一卜&过电压（柵圾发财极间厂I卜靜电|卜锵扱驼动电路弁常I栅极信号塩生振荡 卜过电压I
