igbt的动态特性与静态特性的研究

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1、IGBT的动态特性与静态特性的研究IGBT动态参数IGBT模块动态参数是评估IGBT模块开关性能如开关频率、开关损耗、死区时间、驱动功率等的重要依据，本文重点讨论以下动态参数：模块内部栅极电阻、外部栅极电阻、外部栅极电容、IGBT寄生电容参数、栅极充电电荷、IGBT开关时间参数，结合IGBT模块静态参数可全面评估IGBT芯片的性能。RGint：模块内部栅极电阻:为了实现模块内部芯片均流，模块内部集成有栅极电阻。该电阻值应该被当成总的栅极电阻的一部分来计算IGBT驱动器的峰值电流能力。RGext：外部栅极电阻：外部栅极电阻由用户设置，电阻值会影响IGBT的开关性能。上图中开关测试条件中的栅极

2、电阻为Rgext的最小推荐值。用户可通过加装一个退耦合二极管设置不同的Rgon和Rgoff。已知栅极电阻和驱动电压条件下，IGBT驱动理论峰值电流可由下式计算得到，其中栅极电阻值为内部及外部之和。实际上，受限于驱动线路杂散电感及实际栅极驱动电路非理想开关特性，计算出的峰值电流无法达到。如果驱动器的驱动能力不够，IGBT的开关性能将会受到严重的影响。最小的Rgon由开通di/dt限制，最小的Rgoff由关断dv/dt限制，栅极电阻太小容易导致震荡甚至造成IGBT及二极管的损坏。Cge：外部栅极电容：高压IGBT一般推荐外置Cge以降低栅极导通速度，开通的di/dt及dv/dt被减小，有利于降

3、低受di/dt影响的开通损耗。IGBT寄生电容参数：IGBT寄生电容是其芯片的内部结构固有的特性，芯片结构及简单的原理图如下图所示。输入电容Cies及反馈电容Cres是衡量栅极驱动电路的根本要素，输出电容Coss限制开关转换过程的dv/dt，Coss造成的损耗一般可以被忽略。其中：Cies=CGE +CGC：输入电容（输出短路）Coss=CGC +CEC：输出电容（输入短路）Cres=CGC：反馈电容（米勒电容）动态电容随着集电极与发射极电压的增加而减小，如下图所示。手册里面的寄生电容值是在25V栅极电压测得，CGE的值随着VCE的变化近似为常量。CCG的值强烈依赖于VCE的值，并可由下式

4、估算出：IGBT所需栅极驱动功率可由下式获得：或者QG：栅极充电电荷：栅极充电电荷可被用来优化栅极驱动电路设计，驱动电路必须传递的平均输出功率可通过栅极电荷、驱动电压及驱动频率获得，如下式：其中的QG为设计中实际有效的栅极电荷，依赖于驱动器输出电压摆幅，可通过栅极IGBT开关时间参数电荷曲线进行较精确的近似。通过选择对应的栅极驱动输出电压的栅极电荷，实际应该考虑的QG’可以从上图中获取。工业应用设计中，典型的关断栅极电压常被设置为0V或者-8V，可由下式近似计算：例如，IGBT的栅极电荷参数如上表，实际驱动电压为+15/-8V，则所需的驱动功率为：IGBT开关时间参数：开通延迟时间td(o

5、n)：开通时，从栅极电压的10%开始到集电极电流上升至最终的10%为止，这一段时间被定义为开通延迟时间。开通上升时间tr：开通时，从集电极电流上升至最终值的10%开始到集电极电流上升至最终值的90%为止，这一段时间被定义为开通上升时间。关断延迟时间td(off)：关断时，从栅极电压下降至其开通值的90%开始到集电极电流下降到开通值的90%为止，这一段时间被定义为关断延迟时间。关断下降时间tf：关断时，集电极电流由开通值的90%下降到10%之间的时间。开关时间的定义由下图所示：因为电压的上升下降时间及拖尾电流没有制定，上述开关时间参数无法给出足够的信息用来获取开关损耗。因而，单个脉冲的能量损

6、耗被单独给出，单个脉冲开关损耗可由下列积分公式获得：单个脉冲的开关时间及能量参数强烈地依赖于一系列具体应用条件，如栅极驱动电路、电路布局、栅极电阻、母线电压电流及结温。因而，手册里的值只能作为IGBT开关性能的参考，需要通过详细的仿真和实验获得较为精确的值。针对半桥拓扑电路，可根据手册里的开关时间参数，设置互补的两个器件在开通及关断时的死区时间。IGBT静态参数·VCES：集电极-发射极阻断电压在可使用的结温范围内栅极-发射极短路状态下，允许的断态集电极-发射极最高电压。手册里VCES是规定在25°C结温条件下，随着结温的降低VCES也会有所降低。降低幅度与温度变化的关系可由下式近似描述：

7、 .模块及芯片级的VCES对应安全工作区由下图所示：Collector-emittervoltageoftheIGBT由于模块内部杂散电感，模块主端子与辅助端子的电压差值为 ，由于内部及外部杂散电感，VCES在IGBT关断的时候最容易被超过。VCES在任何条件下都不允许超出，否则IGBT就有可能被击穿。·Ptot：最大允许功耗在Tc=25°C条件下，每个IGBT开关的最大允许功率损耗，及通过结到壳的热阻所允许的最大耗散功