中心議題：

• 柵極電荷體現IGBT的特性
• 如何測量和確定柵極電荷
• 驅動器輸出功率和柵極電流
• IGBT驅動器的選擇

解決方案：

• 輸入電容CGC和CGE是計算IGBT關鍵參數
• 柵極導通電壓VG(on)和關斷電壓VG(off)之差計算刪極-發射極電壓
• 驅動器的最大平均輸出電流必須大於計算值

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在電力電子領域已經普及
，並被用於許多應用中，如變頻器
、電源和電子驅動器。IGBT具有較高的反向電壓（高達6.5kV）
，開關電流最大可達3kA。

除功率模塊自身外，電力電子係統中的一個關鍵組件是IGBT驅qu動dong器qi，它ta是shi功gong率lv晶jing體ti管guan和he控kong製zhi器qi之zhi間jian重zhong要yao的de接jie口kou。驅qu動dong器qi的de選xuan擇ze及ji其qi準zhun確que輸shu出chu功gong率lv的de計ji算suan決jue定ding了le轉zhuan換huan器qi解jie決jue方fang案an的de可ke靠kao性xing。驅qu動dong器qi功gong率lv不bu足zu或huo選xuan擇ze錯cuo誤wu可ke能neng會hui導dao致zhi模mo塊kuai和he驅qu動dong器qi故gu障zhang。以yi下xia總zong結jie了le一yi些xie計ji算suan用yong於yu開kai關guanIGBT的驅動器輸出性能的方法。

柵極電荷體現IGBT的特性

IGBT模塊的開關特性主要取決於半導體電容（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）。
                    
                                                                               圖1IGBT的電容

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，但與電壓關係密切，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簡化的柵極充電波形
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。
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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(you)於(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)

，為(wei)了(le)計(ji)算(suan)驅(qu)動(dong)器(qi)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)，輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)可(ke)能(neng)隻(zhi)被(bei)應(ying)用(yong)到(dao)某(mou)種(zhong)範(fan)圍(wei)。一(yi)種(zhong)更(geng)為(wei)實(shi)際(ji)的(de)確(que)定(ding)驅(qu)動(dong)器(qi)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)利(li)用(yong)柵(zha)極(ji)電(dian)荷(he)特(te)性(xing)。

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所需的每脈衝柵極電荷。
                       
                                                                  圖3柵極充電特性
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shu據ju表biao的de圖tu表biao顯xian示shi了le在zai正zheng象xiang限xian和he負fu象xiang限xian的de柵zha極ji電dian荷he曲qu線xian。如ru果guo柵zha極ji電dian荷he曲qu線xian隻zhi在zai正zheng象xiang限xian給gei出chu，則ze柵zha極ji電dian荷he的de幅fu值zhi可ke由you外wai插cha法fa讀du出chu。即ji使shi在zai沒mei有you柵zha極ji電dian荷he曲qu線xian的de情qing況kuang下xia
，通tong過guo使shi用yong輸shu入ru電dian容rongCies=CGE+CGC這一準確度稍差的方法也能確定柵極電荷。

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，該能量用於對IGBT進行充放電。驅動器輸出功率PGD(out)等於電能E乘(VG(on)-fSW)。E等於柵極電荷乘以導通和關斷電壓的差值
，


對於IGBT驅動器電路的另一個關鍵要求是要有足夠的電流可用於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。


IGBT的開關時間受IGBT柵極的充放電控製。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QG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)控製。理論峰值電流可以很容易計算出，

這裏
，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於可能的理論值。在某個IGBT驅動器的數據表中，所給出的最大峰值電流是當柵極電阻為最小值時的電流。

如果這兩個最大和最小的範圍都超過了，其結果是驅動器的輸出可能會受到損害。
                         
                                                 圖4IGBT的電容和柵極電流

IGBT驅動器的選擇

選取合適的IGBT驅(qu)動(dong)器(qi)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)幾(ji)點(dian)。驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)最(zui)大(da)平(ping)均(jun)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)必(bi)須(xu)大(da)於(yu)計(ji)算(suan)值(zhi)
，且(qie)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)最(zui)大(da)柵(zha)極(ji)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)必(bi)須(xu)等(deng)於(yu)或(huo)大(da)於(yu)最(zui)大(da)計(ji)算(suan)柵(zha)極(ji)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)。驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)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衝最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。它基於上述的特點和方程

，根據所選擇的IGBT模塊類型、並聯模塊的數量

、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。該工具可用於驅動器的計算，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。