IGBT驅(qū)動電流行為綜述

IGBT驅(qū)動需要電流：

IGBT是一種電壓驅(qū)動的電子開關(guān)，正常情況下只要給15V電壓就可以飽和導(dǎo)通，實際器件的驅(qū)動是給柵極端口電容充放電，還是需要電流的。IGBT驅(qū)動電流峰值電流取決于柵極總電阻，電流取決于柵極電荷，但我們一般講的是峰值電流。

驅(qū)動的峰值電流很好理解，按照歐姆定律，由驅(qū)動電壓和驅(qū)動電阻決定：

但在小阻值驅(qū)動回路中，實際測得驅(qū)動電流一般比上述公式計算值要小，原因是驅(qū)動回路中還有雜散電感存在，因此電流峰值一般為計算值的70%。

如果柵極存在振蕩，而且是低阻尼振蕩的話，驅(qū)動電流會大于計算值，這在驅(qū)動電路設(shè)計中要考慮到。

柵極電感對驅(qū)動電流的影響：

先看一個實測的例子，結(jié)果可能出乎你意料，電感大，開通損耗低。

圖中給出了一個實驗測量結(jié)果。該實驗中，比較了6cm和18cm長的雙絞驅(qū)動線下的IGBT動態(tài)特性，長線18cm，驅(qū)動電感LG大，但開通損耗Eon降低了約31mJ。

這是為什么呢？

當(dāng)將驅(qū)動連接到IGBT柵極時，不可避免地會存在寄生電感，且寄生電感與柵極電阻串聯(lián)。這個寄生電感包括引線電感(無論這種連接是線纜或是電路板上的走線)，柵極電阻自身電感和與模塊柵極結(jié)構(gòu)的電感。

柵極引線電感對IGBT開通關(guān)斷過程的影響如下圖所示。引線電感越大，IGBT開通的di/dt和dv/dt越大。然而，關(guān)斷時開關(guān)速度保持不變，但有延遲。

如何解釋這一現(xiàn)象呢？電感特性就是阻止電流變化，在電感中電流不能突變，就是說最初時寄生電感阻礙著柵極電容充電，一旦達(dá)到最大柵極電流，電感就趨向維持這個電流，釋放電感中的能量，就像一個電流源一樣為IGBT的柵極電容充電，所以驅(qū)動電流是增加的，開通損耗降低。

實驗發(fā)現(xiàn)只有在正負(fù)電源驅(qū)動中，如-15V/15V驅(qū)動的開通過程中才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，單電源，如0V/15V驅(qū)動的開通只會延遲，開關(guān)速度沒變，開通損耗沒有降低。這又是為什么呢？

對于IGBT，當(dāng)柵極電壓達(dá)到閥值電壓UGE(TO)之前，它是關(guān)斷的。在柵極電壓為0V/15V的驅(qū)動器中，如果增加?xùn)艠O引線電感，一般柵極電壓超過UGE(TO)后柵極電流才達(dá)到最大值。在這種情況下，離開密勒平臺后，才會有儲存在寄生電感中的能量去充柵極電容，使得柵極電壓最終達(dá)到15V，這時有點晚了，只會產(chǎn)生開通延遲，不會對開通速度產(chǎn)生影響。

在-15V/15V的柵極電壓下，情況不同，在柵極電壓即將達(dá)到UGE(TO)時，柵極電流已經(jīng)達(dá)到最大，存儲在寄生電感中的能量加快了IGBT開通速度，當(dāng)然也產(chǎn)生開通延遲。

驅(qū)動電流越大越好嗎？

這里講的是實際的驅(qū)動電流，不是驅(qū)動器輸出電流能力。設(shè)計驅(qū)動電流就是選柵極電阻值，驅(qū)動電流大就意味著減小柵極電阻Rg，要使得開關(guān)損耗最低，要找到電路不振蕩的臨界值。

振蕩臨界值：

含寄生參數(shù)的驅(qū)動電路，主要關(guān)注驅(qū)動線的電感，在這里只研究它對振蕩臨界值的影響。

在開通和關(guān)斷時，假設(shè)IGBT的內(nèi)部電容CGE恒定，寄生電感LG和獨(dú)立的引線電感LGon與LGoff由二階RLC電路的微分方程推導(dǎo)確定,即：

式中，L為柵極路徑中電感的總和(H)；RG為外部和內(nèi)部柵極電阻的總和(Ω)，iG(t)為隨時間變化的柵極電流(A)。

求解上述微分方程得出Ipeak為：

式中，e為自然對數(shù)，e=2.71828。

同時可以得到柵極路徑中不會引起振蕩的最小柵極電阻RG,min為：

式中，∑LG為柵極負(fù)載電感總和(LG+LGon或LG+LGoff)(H)。

從公式中可以看出，如果電感LG比較大，相應(yīng)的柵極電阻RG的值也必須增大，以避免振蕩，尤其要注意RGon選值，太小的話，IGBT開通過快，一方面造成二極管的反向恢復(fù)損耗增加，甚至?xí)?dǎo)致續(xù)流二極管會發(fā)生跳變行為（snap-off），從而引起振蕩，還有可能損壞二極管。

上圖解讀：開通過程中,由于柵極雜散電感太高（Rg電阻沒有為此選很大時）導(dǎo)致二極管振蕩并超出SOA (1.7kV IGBT模塊)

舉個數(shù)值例子：

如果驅(qū)動為+15V,-10V,那么?UGE=25V，柵極回路電感量為20nH，IGBT的輸入電容為30nF，那么：

如果設(shè)計中柵極電阻取值小于1.63歐姆，驅(qū)動電路就會振蕩，如果在這一臨界值上電路不振蕩，那么驅(qū)動電流峰值為：

如果增加?xùn)艠O電阻，寄生電感參數(shù)影響變小，系數(shù)0.74會接近1.0。

結(jié)論：

1

理解IGBT驅(qū)動電流很重要；

2

IGBT驅(qū)動線長，開通損耗可能降低；

3

驅(qū)動設(shè)計時需要選取合適的驅(qū)動電流，太小驅(qū)動能力不足，增加功率器件損耗，太大可能引起開通振蕩。