影響IGBT動態(tài)特性參數(shù)淺析

陳喻

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412005）

1 概述

IGBT是由MOSFET和晶體管技術結合而成的復合型器件，兼顧二者優(yōu)點，同時具備高輸入阻抗、低導通壓降、驅動電壓和驅動電流大的優(yōu)點。目前，IGBT作為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等電氣領域應用廣泛。本文主要就影響IGBT開關特性的幾點關鍵驅動參數(shù)進行理論及試驗分析，進而知曉各參數(shù)調整對IGBT開關特性的影響趨勢，以便為實際應用IGBT時提供理論試驗依據(jù)，更好地應用IGBT。

2 關鍵參數(shù)及其影響

2.1 柵極電阻

在IGBT驅動電路中，為了更好地控制IGBT開關特性，一般需要在柵極串聯(lián)電阻。通過調節(jié)IGBT外部柵極電阻值，控制IGBT柵極內電容的充電電流，調控柵極電壓上升的速度，進而影響IGBT開關特性。

圖1 柵極驅動電阻配置方式

目前，常用的兩種柵極電阻配置方式如圖1所示。配置a是柵極開通電阻與關斷電阻獨立，RG(on)＝RG1，RG(off)＝RG2；配置b是柵極開通電阻與關斷電阻關聯(lián)，RG(on)＝RG1/RG2，RG(off)＝RG2.一般而言，開通電阻越大，IGBT開通越慢，IGBT開通損耗越大。對A公司某款IGBT模塊進行開通電阻拉偏試驗，集電極電流IC曲線如圖2所示。開通電阻小，開通快，電流IC上升率大。

圖3 關斷電阻拉偏試驗VCE曲線

針對NPT型IGBT而言，一般關斷電阻越大，IGBT關斷越慢，關斷損耗大。對B公司某款IGBT進行關斷電阻拉偏試驗，集-射極電壓VCE如圖3所示。關斷電阻小，關斷快，VCE上升率大。在IGBT柵極串接柵極電阻，除了可以調節(jié)IGBT的通斷速度外，同時還起到消除柵極震蕩和轉移驅動器功率損耗功效的作用。IGBT柵-射極之間是容性結構，同時柵極不可避免存在寄生電感，如果沒有柵極電阻，柵極回路在驅動時會產(chǎn)生強震蕩；同樣，電感與電容是無功元件，不消耗有功，如果沒有柵極電阻，驅動器的功率將大部分消耗在驅動器內部輸出管上，容易損壞驅動器。

2.2 柵極電容

實際應用中，IGBT開關損耗值是一個重要指標。如果開通電阻過小，雖然開通損耗降低，但會導致diC/dt值遠遠大于數(shù)據(jù)手冊中的值。一般在IGBT的G-E極外接柵極電容CGE，通過調節(jié)CGE值，進而實現(xiàn)將IGBT開關損耗值與diC/dt值控制在一個合理的范圍內。

理論上IGBT外接柵極電容，IGBT開通diC/dt值與關斷duCE/dt值變小，開通與關斷時間變長，開關損耗值變大。

針對B公司某款IGBT進行柵極電容拉偏實驗，繪制IGBT集-射極電壓VCE曲線與集電極電流IC曲線。IGBT外接柵極電容大，IGBT開通duCE/dt值與關斷duCE/dt值小，開通與關斷時間變長。

開關損耗值對比如圖4所示。外接柵極電容主要影響的是IGBT的開通損耗值，對關斷損耗值的影響相對較小一些。

圖4 柵極電容拉偏試驗開關損耗值

2.3 柵極引線電感

在實際應用中，IGBT驅動板與IGBT柵極連接，不可避免地存在引線電感。

采用雙極性柵極電壓驅動方式驅動IGBT，引線電感越大，IGBT開通速度越快，diC/dt值越大；但IGBT關斷速度不變，只是存在延遲。

采用單極性柵極電壓驅動方式驅動IGBT，引線電感值對IGBT開通與關斷速度沒有影響，只是IGBT開通與關斷過程會存在一個延時過程。

在IGBT開通過程中，引線電感會阻礙IGBT內部柵極電容充電，IGBT柵極電流慢慢增大，直到趨于達到最大柵極電流。引線電感起到一個電流源一樣的作用，持續(xù)給柵極電容充電。雙極性柵極電壓IGBT驅動方式下，IGBT在即達到閾值電壓之前，通過柵極引線電感作用，逐漸給IGBT內部柵極電容充電，IGBT開通快一些。單極性柵極電壓IGBT驅動方式下，在達到閾值電壓之前，IGBT處于關斷狀態(tài)，只有柵極電壓離開米勒平臺后，才會使得更多的柵極電荷達到驅動電壓值。所以增大柵極引線電感，對采用單極性柵極電壓IGBT驅動方式而言，不會影響IGBT開通速度，只是會存在一個延時過程。針對雙極性柵極電壓驅動方式，在IGBT驅動電路連接中，需要控制好柵極引線電感值，不能讓之過大。柵極引線電感大，IGBT開通快，續(xù)流二極管換流快，可能會引起二極管電流震蕩大，超出二極管SOA，損壞二極管。一般可以將驅動板直接安裝在IGBT模塊上，最小化模塊與驅動板之間的引線電感值，進而規(guī)避由于引線電感大帶來的負面影響。

2.4 結論

針對實際應用中影響IGBT開關特性的幾點關鍵參數(shù)進行理論、試驗分析對比，小結如下：①柵極開通電阻主要影響IGBT開通過程中diC/dt上升速度和開通損耗值。開通電阻小，diC/dt大，開通損耗值小。②針對NPT型IGBT而言，柵極關斷電阻主要影響IGBT的關斷duCE/dt速度與關斷損耗值。關斷電阻小，關斷duCE/dt大，關斷損耗值小。③柵極電容主要影響IGBT開關速度與開關損耗值。柵極電容大，開通diC/dt與關斷duCE/dt小，開通與關斷時間長，IGBT開關損耗大（主要是影響開通損耗值，對IGBT關斷損耗值影響不大）。④柵極引線電感主要對雙極性電壓IGBT驅動的IGBT開關特性影響大一些。引線電感大，IGBT開通速度快，在換流過程中可能會引起續(xù)流二極管震蕩大，超出其SOA，損壞二極管。

所以，在IGBT驅動應用設計中，需要重點關注開通電阻、關斷電阻與柵極電容參數(shù)值的選型，以滿足不同工況下不同類型的IGBT可靠、穩(wěn)定的應用需求。同時，盡量降低柵極引線電感值，盡可能地避免IGBT換流過程中出現(xiàn)續(xù)流二極管損壞的情況。