柵極電荷體現IGBT的特性

    IGBT模塊的開關特性主要取決于半導體電容（電荷）及內部和外部的電阻。圖1是IGBT電容的示意圖，其中CGE是柵極-發射極電容、CCE是集電極-發射極電容、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，它是計算IGBT驅動器電路所需輸出功率的關鍵參數。該電容幾乎不受溫度影響，但與電壓關系密切，是IGBT集電極-發射極電壓VCE 的函數。當在集電極-發射極電壓非常低時這種依賴性大幅提高，電壓高時依賴性下降。當IGBT導通時，IGBT的特性由柵極電荷來體現。圖2顯示了柵極-發射極電壓VGE、柵極電流IG和相應的集電極電流IC作為時間的函數，從IGBT導通到飽和這段時間的簡化波形。正如IG=f(t)圖所示，導通過程可以分為三個階段。分別是柵極-發射極電容的充電，柵極-集電極電容的充電和柵極-發射極電容的充電直至IGBT全飽和。柵極電流IG對輸入電容進行充電，IGBT的導通和關斷特性由與充電過程有關的電壓VGE和VCE來體現。在關斷期間，所描述的過程運行在相反的方向，電荷必須從柵極上移除。由于輸入電容的非線性，因此為了計算驅動器輸出功率，輸入電容可能只被應用到某種范圍。一種更為實際的確定驅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簡化的測試電路進行測量。當柵極電壓VGE用示波器進行測量時，柵極由一個恒流源（QG=I*t）驅動。所確定的柵極電荷曲線（圖3）可被用來計算驅動IGBT所需的每脈沖柵極電荷。總的刪極-發射極電壓可通過考慮所施加的柵極導通電壓VG(on)和關斷電壓VG(off)之差來進行計算。圖3中來自IGBT數據表的圖表顯示了在正象限和負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

驅動器輸出功率和柵極電流

    驅動IGBT所需觸發電路的單獨功率可被視作是預期開關頻率和能量的函數，該能量用于對IGBT進行充放電。驅動器輸出功率PGD(out)等于電能E乘以開關頻率fSW，PGD(out)=E*fSW。E等于柵極電荷乘以導通和關斷電壓的差值，E=QG*(VG(on)-VG(off))。因此，驅動器的輸出功率與柵極電荷、導通和關斷電壓以及開關頻率有關，PGD(out)=QG*(VG(on)-VG(off))*fSW。

    對于IGBT驅動器電路的另一個關鍵要求是要有足夠的電流可用于IGBT輸入電容的充放電，從而導通和關斷IGBT。柵極電流可用IGBT輸入電容充電（圖4）的方程來計算。所計算出的柵極電流是驅動器輸出級每通道的比較小平均輸出電流，IG=IGE+IGC=QG*fSW。IGBT的開關時間受IGBT柵極的充放電控制。如果柵極峰值電流增大，則導通和關斷時間將變短，且開關損耗減少。這顯然也影響其他開關參數，如必須被監視的過電壓應力。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算出，IGPEAK=(VG(on)-VG(off))/(RG+RG(int))。這里，IGBT模塊的內部柵極電阻RG(int)必須加以考慮。而在實際中，雜散電感使峰值電流小于可能的理論值。在某個IGBT驅動器的數據表中，所給出的比較大峰值電流是當柵極電阻為比較小值時的電流。如果這兩個比較大和比較小的范圍都超過了，其結果是驅動器的輸出可能會受到損害。

圖4 IGBT的電容和柵極電流

IGBT驅動器的選擇

    選取合適的IGBT驅動器需要考慮幾點。驅動器的比較大平均輸出電流必須大于計算值，且驅動器的比較大柵極峰值電流必須等于或大于比較大計算柵極峰值電流。驅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。當選擇一個合適的驅動器時，驅動器數據表中所列出的每脈沖比較大電荷必須被充分地考慮到。無論哪種應用，都可以很容易地通過使用DriverSel工具來選擇合適的驅動器。DriverSel是一款免費軟件工具，可從www.semikron.com下載。它基于上述的特點和方程，根據所選擇的IGBT模塊類型、并聯模塊的數量、柵極電阻、開關頻率以及集電極-發射極電壓計算出合適的IGBT驅動器。該工具可用于驅動器的計算，任何品牌和IGBT封裝的選擇，以及計算所需的柵極電荷和平均電流。