變頻電源設計工程師眼里的IGBT基礎與運用
IGBT， 中文名字為絕緣柵雙極型晶體管，它是由MOSFET（輸入級）和PNP晶體管（輸出級）復合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快 的特點(diǎn)（控制和響應），又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(diǎn)（功率級較為耐用），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。
理想等效電路與實(shí)際等效電路如圖所示：
變頻電源設計工程師眼里的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(kāi)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?。?/span>
變頻電源設計工程師眼里的IGBT的開(kāi)通過(guò)程
IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，分為幾段時(shí)間
1.與MOSFET類(lèi)似的開(kāi)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，定義了了：開(kāi)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(kāi)通延遲時(shí)間td.on:td.on=Ton-Tr.i
變頻電源設計工程師眼里的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>
第一段是按照MOS管關(guān)斷的特性的
第二段是在MOSFET關(guān)斷后，PNP晶體管上存儲的電荷難以迅速釋放，造成漏極電流較長(cháng)的尾部時(shí)間。
在上面的表格中，定義了了：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(chēng)為toff=td(off)+trv十t(f)，td(off)+trv之和又稱(chēng)為存儲時(shí)間。
從下面圖中可看出詳細的柵極電流和柵極電壓，CE電流和CE電壓的關(guān)系：
從另外一張圖中細看MOS管與IGBT管柵極特性可能更有一個(gè)清楚的概念：
開(kāi)啟過(guò)程
關(guān)斷過(guò)程
嘗試去計算IGBT的開(kāi)啟過(guò)程，主要是時(shí)間和門(mén)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(mén)級-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
根據充電的詳細過(guò)程，可以下圖所示的過(guò)程進(jìn)行分析
對應的電流可簡(jiǎn)單用下圖所示：
第1階段：
柵級電流對電容CGE進(jìn)行充電，柵射電壓VGE上升到開(kāi)啟閾值電壓VGE(th)。這個(gè)過(guò)程電流很大，甚至可以達到幾安培的瞬態(tài)電流。在這個(gè)階 段，集電極是沒(méi)有電流的，極電壓也沒(méi)有變化，這段時(shí)間也就是死區時(shí)間，由于只對GE電容充電，相對來(lái)說(shuō)這是比較容易計算的，由于我們采用電壓源供電，這段 曲線(xiàn)確實(shí)是一階指數曲線(xiàn)。
第2階段：
柵極電流對Cge和Cgc電容充電，IGBT的開(kāi)始開(kāi)啟的過(guò)程了，集電極電流開(kāi)始增加，達到最大負載電流電流IC，由于存在二極管的反向恢復電流，因此這個(gè)過(guò)程與MOS管的過(guò)程略有不同，同時(shí)柵極電壓也達到了米勒平臺電壓。
第3階段：
柵極電流對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?？?。
第4階段：
柵極電流對Cge和Cgc電容充電，隨著(zhù)Vce緩慢變化成穩態(tài)電壓，米勒電容也隨著(zhù)電壓的減小而增大。Vge仍舊維持在米勒平臺上。
第5階段：
這個(gè)時(shí)候柵極電流繼續對Cge充電，Vge電壓開(kāi)始上升，整個(gè)IGBT完全打開(kāi)。
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)電路作為驅動(dòng)電路的話(huà)：
驅動(dòng)的等效電路可以表示為：
利用RC的充放電曲線(xiàn)可得出時(shí)間和電阻的功率。
這么算的話(huà)，就等于用指數曲線(xiàn)，代替了整個(gè)上升過(guò)程，結果與等效的過(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)。
很多供應商都是推薦使用Qg來(lái)做運算，計算方法也可以整理出來(lái)，唯一的變化在于Qg是在一定條件下測定的，我們并不知道這種做法的容差是多少。
我覺(jué)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，對此還是略有些疑惑的。
說(shuō)說(shuō)我個(gè)人的看法，對這個(gè)問(wèn)題，定量的去計算得到整個(gè)時(shí)間非常困難，其實(shí)就是仿真也是通過(guò)數字建模之后進(jìn)行實(shí)時(shí)計算的結果，這個(gè)模型與實(shí)際的條件進(jìn)行對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)很粗略的結果是可以的，如果要精確的，算不出來(lái)。
對于門(mén)級電阻來(lái)說(shuō)，每次開(kāi)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。
前級的三極管，這個(gè)三極管的速度要非?？?，否則如果進(jìn)入飽和的時(shí)間不夠短，在充電的時(shí)候將可能有鉗制作用，因此我對于這個(gè)電路的看法是一定要做測試?？蛰d的和帶負載的，可能情況有很大的差異。
柵極驅動(dòng)的改進(jìn)歷程和辦法（針對米勒平臺關(guān)斷特性）
前面都講了一些計算的東西，這次總結一些設計法則。
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(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗，增強工作的耐固性，避免帶來(lái)因dv/dt的誤導通。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(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗增大。
一般的：開(kāi)通電壓15V±10%的正柵極電壓，可產(chǎn)生完全飽和，而且開(kāi)關(guān)損耗最小，當<12V時(shí)通態(tài)損耗加大，>20V時(shí)難以實(shí)現過(guò)流及短路保護。關(guān)斷偏壓-5到-15V目的是出現噪聲仍可有效關(guān)斷，并可減小關(guān)斷損耗最佳值約為-8～10V。
柵極參數對電路的影響
IGBT 內部的續流二極管的開(kāi)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的導通開(kāi)關(guān)速度實(shí)質(zhì)上只能與所用續流二極管反向恢復特性相 兼容的水平。柵極電阻的減小不僅增大了IGBT的過(guò)電壓應力，而且由于IGBT模塊中di/dt的增大，也增大了續流二極管的過(guò)壓極限。
柵極電阻與關(guān)斷變化圖
柵極驅動(dòng)的印刷電路板布線(xiàn)需要非常注意，核心問(wèn)題是降低寄生電感，對防止潛在的振蕩，柵極電壓上升速率，噪音損耗的降低，降低柵極電壓的需求或減小柵極保護電路的效率有較大的影響。
措施
因此將驅動(dòng)至柵極的引線(xiàn)加粗，將之間的寄生電感減至最低?？刂瓢迮c柵極驅動(dòng)電路需要防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。
當控制板和IGBT控制端子不能直接連接時(shí)，考慮用雙股絞線(xiàn)(2轉/CM小于3CM長(cháng))或帶狀線(xiàn)，同軸線(xiàn)進(jìn)行連接。
柵極保護
為了保險起見(jiàn)，可采用TVS等柵極箝位保護電路，考慮放置于靠近IGBT模塊的柵極和發(fā)射極控制端子附近。
耦合干擾與噪聲
變頻電源設計工程師眼里的IGBT的開(kāi)關(guān)會(huì )使用相互電位改變，PCB板的連線(xiàn)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電容，所以會(huì )造成器件導通關(guān)斷的延遲現象。雖然我們盡量考慮去降低該影響（提高控制極驅動(dòng)電壓電流，設置結電容釋放 回路等）。但是為了防止關(guān)斷延遲效應造成上下橋臂直通，因為一個(gè)橋臂未完全關(guān)斷，而另一橋臂又處于導通狀態(tài)，直通炸模塊后后果非常嚴重（最好的結果是過(guò) 熱）。
死區時(shí)間（空載時(shí)間）設置
在控制中，人為加入上下橋臂同時(shí)關(guān)斷時(shí)間，以保證驅動(dòng)的安全性。死區時(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，典型數值在3us以上。
在應用中，特別要注意環(huán)境溫度對toff的影響很大，使得toff延長(cháng)，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)行調整。
IGBT柵極引起的問(wèn)題列表（紅色部分圈注的）：
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