柵極電荷體現(xiàn)IGBT的特性

    IGBT模塊的開關(guān)特性主要取決于半導(dǎo)體電容（電荷）及內(nèi)部和外部的電阻。圖1是IGBT電容的示意圖，其中CGE是柵極-發(fā)射極電容、CCE是集電極-發(fā)射極電容、CGC是柵極-集電極電容（或稱為米勒電容）。柵極電荷的特性由輸入電容CGC和CGE來表示，它是計(jì)算IGBT驅(qū)動器電路所需輸出功率的關(guān)鍵參數(shù)。該電容幾乎不受溫度影響，但與電壓關(guān)系密切，是IGBT集電極-發(fā)射極電壓VCE 的函數(shù)。當(dāng)在集電極-發(fā)射極電壓非常低時(shí)這種依賴性大幅提高，電壓高時(shí)依賴性下降。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，IGBT的特性由柵極電荷來體現(xiàn)。圖2顯示了柵極-發(fā)射極電壓VGE、柵極電流IG和相應(yīng)的集電極電流IC作為時(shí)間的函數(shù)，從IGBT導(dǎo)通到飽和這段時(shí)間的簡化波形。正如IG=f(t)圖所示，導(dǎo)通過程可以分為三個(gè)階段。分別是柵極-發(fā)射極電容的充電，柵極-集電極電容的充電和柵極-發(fā)射極電容的充電直至IGBT全飽和。柵極電流IG對輸入電容進(jìn)行充電，IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷特性由與充電過程有關(guān)的電壓VGE和VCE來體現(xiàn)。在關(guān)斷期間，所描述的過程運(yùn)行在相反的方向，電荷必須從柵極上移除。由于輸入電容的非線性，因此為了計(jì)算驅(qū)動器輸出功率，輸入電容可能只被應(yīng)用到某種范圍。一種更為實(shí)際的確定驅(qū)動器輸出功率的方法是利用柵極電荷特性。

圖1 IGBT的電容

圖2 簡化的柵極充電波形

如何測量和確定柵極電荷

    柵極電荷可以通過一個(gè)簡化的測試電路進(jìn)行測量。當(dāng)柵極電壓VGE用示波器進(jìn)行測量時(shí)，柵極由一個(gè)恒流源（QG=I*t）驅(qū)動。所確定的柵極電荷曲線（圖3）可被用來計(jì)算驅(qū)動IGBT所需的每脈沖柵極電荷?？偟膭h極-發(fā)射極電壓可通過考慮所施加的柵極導(dǎo)通電壓VG(on)和關(guān)斷電壓VG(off)之差來進(jìn)行計(jì)算。圖3中來自IGBT數(shù)據(jù)表的圖表顯示了在正象限和負(fù)象限的柵極電荷曲線。如果柵極電荷曲線只在正象限給出，則柵極電荷的幅值可由外插法讀出。即使在沒有柵極電荷曲線的情況下，通過使用輸入電容Cies=CGE+CGC這一準(zhǔn)確度稍差的方法也能確定柵極電荷<7> 。

圖3 柵極充電特性

驅(qū)動器輸出功率和柵極電流

    驅(qū)動IGBT所需觸發(fā)電路的單獨(dú)功率可被視作是預(yù)期開關(guān)頻率和能量的函數(shù)，該能量用于對IGBT進(jìn)行充放電。驅(qū)動器輸出功率PGD(out)等于電能E乘以開關(guān)頻率fSW，PGD(out)=E*fSW。E等于柵極電荷乘以導(dǎo)通和關(guān)斷電壓的差值，E=QG*(VG(on)-VG(off))。因此，驅(qū)動器的輸出功率與柵極電荷、導(dǎo)通和關(guān)斷電壓以及開關(guān)頻率有關(guān)，PGD(out)=QG*(VG(on)-VG(off))*fSW。

    對于IGBT驅(qū)動器電路的另一個(gè)關(guān)鍵要求是要有足夠的電流可用于IGBT輸入電容的充放電，從而導(dǎo)通和關(guān)斷IGBT。柵極電流可用IGBT輸入電容充電（圖4）的方程來計(jì)算。所計(jì)算出的柵極電流是驅(qū)動器輸出級每通道的比較小平均輸出電流，IG=IGE+IGC=QG*fSW。IGBT的開關(guān)時(shí)間受IGBT柵極的充放電控制。如果柵極峰值電流增大，則導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間將變短，且開關(guān)損耗減少。這顯然也影響其他開關(guān)參數(shù)，如必須被監(jiān)視的過電壓應(yīng)力。柵極充電電流可由柵極電阻RG(on)和RG(off)控制。理論峰值電流可以很容易計(jì)算出，IGPEAK=(VG(on)-VG(off))/(RG+RG(int))。這里，IGBT模塊的內(nèi)部柵極電阻RG(int)必須加以考慮。而在實(shí)際中，雜散電感使峰值電流小于可能的理論值。在某個(gè)IGBT驅(qū)動器的數(shù)據(jù)表中，所給出的比較大峰值電流是當(dāng)柵極電阻為比較小值時(shí)的電流。如果這兩個(gè)比較大和比較小的范圍都超過了，其結(jié)果是驅(qū)動器的輸出可能會受到損害。

圖4 IGBT的電容和柵極電流

IGBT驅(qū)動器的選擇

    選取合適的IGBT驅(qū)動器需要考慮幾點(diǎn)。驅(qū)動器的比較大平均輸出電流必須大于計(jì)算值，且驅(qū)動器的比較大柵極峰值電流必須等于或大于比較大計(jì)算柵極峰值電流。驅(qū)動器的輸出電容必須能夠提供IGBT柵極充放電所需的柵極電荷。當(dāng)選擇一個(gè)合適的驅(qū)動器時(shí)，驅(qū)動器數(shù)據(jù)表中所列出的每脈沖比較大電荷必須被充分地考慮到。無論哪種應(yīng)用，都可以很容易地通過使用DriverSel工具來選擇合適的驅(qū)動器。DriverSel是一款免費(fèi)軟件工具，可從www.semikron.com下載。它基于上述的特點(diǎn)和方程，根據(jù)所選擇的IGBT模塊類型、并聯(lián)模塊的數(shù)量、柵極電阻、開關(guān)頻率以及集電極-發(fā)射極電壓計(jì)算出合適的IGBT驅(qū)動器。該工具可用于驅(qū)動器的計(jì)算，任何品牌和IGBT封裝的選擇，以及計(jì)算所需的柵極電荷和平均電流。