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IGBT的驱动特性及功率计算

陈暹辉

深圳裕能达电气有限公司

摘要：

根据目前市场的使用情况，介绍IGBT的驱动特性及不同功率计算。

关键词：

开通损耗关断损耗栅极电阻导通压降短路时间

6

1IGBT的驱动特性

1.1驱动特性的主要影响因素

IGBT的驱动条件与IGBT的特性密切相关。

设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和dv/dt引起的误触发等问题。

栅极电压Uge增加（应注意Uge过高而损坏IGBT），则通态电压下降（Eon也下降），如图1所示（此处以200AIGBT为例）。

由图1中可看出，若Uge固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高，如图1 a，电流容量将随结温升高而减少（NPT工艺正温度特性的体现）如图1b所示。

（a）Uge与Uce和Ic的关系（b）Uge与Ic和Tvj的关系

图1栅极电压Uge与Uce和Tvj的关系

栅极电压Uge直接影响IGBT的可靠运行，栅极电压增高时有利于减小IGBT的开通损耗和导通损耗，但同时将使IGBT能承受的短路时间变短（10μs以下），使续流二极管反向恢复过电压增大，所以务必控制好栅极电压的变化范围，一般Vge可选择在-10～+15V之间，关断电压-10V,开通电压+15V。

开关时Uge与Ig的关系曲线见图2a和图2b所示。

栅极电阻Rg 增加，将使IGBT的开通与关断时间增加，使开通与关断能耗均增加,但同时，可以使续流二极管的反恢复过电压减小，同时减少EMI的影响。

而门极电阻减少，则又使di/dt增大，可能引发IGBT误导通，但是，当Rg减少时，可

（a）开通时（b）关断时

图2开关时Uge与Ig的关系曲线

以使得IGBT关断时由du/dt所带来误触发的可能性减小，同时也可以提高IGBT承受短路能量的能力,所以Rg大小各有好坏，客户可根据自己设计特点选择。

图3为Rg大小对开关特性的影响，损耗关系请参照图4所示。

图3Rg大小对开关特性的影响（di/dt大小不同）

图4门极电阻Rg与Eon/Eoff

由上述可得：

IGBT的特性随门极驱动条件的变化而变化，就象双极型晶体管的开关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。

但是IGBT所有特性难以同时最佳化，根据不同应用，在参数设定时进行评估，找到最佳折冲点。

双极型晶体管的开关特性随基极驱动条件而变化，然而，对于 IGBT来说，正如图1～图3所示，门极驱动条件仅对其开关特性有较大影响，因此，对于其导通特性来讲，我们应将更多的注意力放在IGBT的开通、短路负载容量上。

1.2驱动电路设计与结构布局

l）从结构原理上讲，IGBT的开通特性同MOSFET，而输出特性同BJT，等效于MOSFET+BJT，因此 IGBT与 MOSFET都是电压驱动，都具有一个阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。

2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压Uge,有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。

另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT之双极晶体管BJT始终工作在饱和区。

3）驱动电压Uge的选择可参考图1，注意其大小的影响，若Uge选大了，则 IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路工作过程的设备中Uge应选得小些，通常12～15V比较合适。

4）驱动信号传输线路设计要考虑器件延迟，特别是光耦，注意传输比选择。

5）在关断过程中，为尽快抽取IGBT输入电容（Cies）上的存储电荷，须施加一负偏压Uge,  但它的大小受IGBT的G，E间最大反向耐压限制，一般取-10V为宜。

 6）在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰电压，设计正确的过流保护电路，确保IGBT的安全。

 7）注意两种隔离：

强、弱电之间的隔离（信号共地问题）和输入、输出信号之间的隔离（采用变压器/光耦等），最好自身带有对IGBT的保护功能，有较强的抗干扰能力。

8）针对大功率IGBT，可考虑增加推挽对管（如目前通用的MJD44H11/45H11）放大驱动功率,或者选用比较流行的瑞士CT-CONCEPT专用大功率驱动产品如2SD315-等。

2IGBT的功率损耗计算（硬开关情况）

2.1动态损耗

1）IGBT开关损耗：

PIGBT=fsw·（Eon+Eoff）·Is/Inom

其中，fsw=IGBT开关频率，Eon=开通能量（参数表提供），Eoff=关断能量（参数表提供），Is=实际工作电流Inom=标称电流。

2）续流二极管开关损耗：

Pdiode=fsw·Erec·IF/Inom

其中，fw=IGBT开关频率，Erec=续流能量（参数表提供），IF=实际工作电流Inom=标称电流。

2.2导通损耗

1）IGBT导通损耗：

PIGBT=Vcesat·Is·D

其中，Vcesat=饱和压降（参数表提供），Is=集电极电流D=平均占空比。

2）续流二极管导通损耗：

Pdiode=VF·IF·（1-D）

其中，VF=导通压降（参数表提供），IF=实际工作电流，D=平均占空比。

3总结

目前IGBT的从晶片的制造技术来讲已经发展到第4代，不同代IGBT的驱动特性是有区别的，当然其驱动原理没有变化，其功率损耗也可照套正文所给出的公式计算。

参考文献

1InfineonIGBTTechnology

2InfineonIGBTDatasheets

高压变频器的IGBT模块选择及计算分析

2008-10-2810:

50:

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摘要：

本文阐述了目前变频器应用中常用的几种模块，如IGCT、IEGT、GTO、IGBT。

通过计算分析比较，得出IGBT是目前性价比较好的器件。

1、概述

　　由于我国元器件工业落后，还不能生产高压IGBT，西方国家仍对中国实行技术封锁。

比如6500VIGBT仍不向中国出口，且不论其价格不菲。

在直接串联技术选用什么样的功率开关器件对决定变频器的性价比至关重要。

　　目前可选的器件有好几种，如IGCT、IEGT、GTO、IGBT，而IGBT则又分为1700V，3300V，6500V。

而各器件厂家都宣称自己的器件最好。

到底选哪一种器件，其性价比较好，让我们进行一些具体比较，比较的依据为各厂家产品样本所列的技术参数。

2、几种常用的功率器件

　　变频器向前发展，一直是随着电力电子器件的发展而发展。

只要电力电子器件有了新的飞跃，变频器就一定有个新飞跃，必定有新的变频器出现。

在20世纪50年代出现了硅晶闸管（SCR）；60年代出现可关断晶闸管（GTO晶闸管）；70年代出现了高功率晶体管（GTR）和功率场效应管（MOSFET）；80年代相继出现了绝缘栅双极功率晶体管（IGBT）以及门控晶闸管（IGCT）和电力加强注入型绝缘栅极晶体管（IEGT），90年代出现智能功率模块（IPM）。

由于这些元器件的出现，相应出现了以这些逆变器件为主的变频器，反过来，变频器要求逆变器件有个理想的静态特性：

在阻断状态时，能承受高电压；在导通状态时，能大电流通过和低的导通压降，损耗小，发热量小；在开关状态转换时，具有短的开、关时间，即开关频率高，而且能承受高的du/dt；全控功能，寿命长、结构紧凑、体积小等特点，当然还要求成本低。

上述这些电力电子器件有些是满足部分要求，有些是逐步向这个方向发展，达到完善的要求，特别是中（高）压变频器更需要耐压高的元器件。

3、模块选择分析

3.1相关定义及公式

　　我们以设计一台中压变频器为例，直流工作电压为3600V，。

设电机功率因数为0.8，载波频率为3kHz，输出频率为50Hz，采用下列公式分别用不同功率开关器件构成变频器的一个开关组件的指标进行估算。

以400A的峰值电流Icp计算，采用下列估算公式：

1、稳定功耗

2、开关功耗

3、总功耗

3.2IGBT模块计算分析

　　首先以1700V、3300V、6500V的IGBT进行比较。

为使中压变频器达到3600V的工作电压，需用4只1700V的管子串联，或者需2只3300V的管子串联，6500V的管子不串联。

（1）用4只1700V管子串联，型号为FZ400R17E3，其相关技术数据如下：

Uce（sat）=2.4VEsw（on）=150mJEsw（off）=125mJ

Pss=0.1425Î400Î2.4Î4=547.2W

Psw=955.4Î（Esw（on）+Esw（off）Î4=955.4Î（0.15+0.125）Î4=1050W

则Pc1=Pss+Psw=547.2+1050=1597W

（2）用2只3300VIGBT串联，型号为FF400R33KF2，其相关技术数据如下：

Uce（sat）=2.8VEsw（on）=960MjEsw（off）=510mJ

则Psw=955.4Î（Esw（on）+Esw（off））Î2=955.4Î（0.91+0.51）Î2=2808W

Pss=0.1425Î400Î2.8Î2=319W

Pc2=Pss+Psw=319+2808=3127W

（3）用1只6500V的IGBT，型号为FZ400R65KF1，其相关技术数据如下：

Uce（sat）=3.9VEsw（on）=4JEsw（off）=2.3J

则

Pss=0.1425Î400Î3.9=222W

Psw=955.4Î（4+2.3）=6019W

Pc3=Pss+Psw=222+6019=6241W

3.3IEGT模块计算分析

　　将IEGT与1700VIGBT进行比较，其他条件不变。

IEGT我们选择ST750GXH21型号，其相关技术数据如下：

Icp=750AUce=4.5VUcc=2400V

Esw（on）=2.5JEsw（off）=3J

则

Pss=0.1425ÎIcpÎUce（sat）=0.1425Î750Î4.5=481W

Psw=955.4Î（Esw（on）+Esw（off））=955.4Î（2.5+3）=5255W

Pc4=Pss+Psw=481+5255=5736W

因其工作电压Ucc=2700V，则用3只FZ400R17E3串联后两串再并联。

计算后功耗为：

Pc5=2396W

4结论

　　IGCT的情况比6500VIGBT或IEGT效果更差，这里不再对IGCT进行比较。

现在将上述计算结果进行对比，在完成完全相同的任务时，以1700V的IGBT器件为基准，不同电压等级的器件消耗的功率之比率如下：

1700VIGBT

Pc1/Pc1=1597÷1597=1

3300VIGBT

Pc2/Pc1=3127÷1597=2

6500VIGBT

Pc3/Pc1=6241÷1597=3.9

4500VIEGT

Pc4/Pc5=5736÷2396=2.39

　　从上述计算中，可以看出，6KV、10KV高压变频器用1700V的IGBT串联，有特别明显的优势：

1、在相同的损耗下，低压IGBT可以获得更高的开关频率，从而获得更好的输出电压波形。

反之，其他器件开关损耗大了，散热成了大问题，解决办法只有降低开关频率，这必然带来波形变差，性能下降。

2、1700VIGBT逆变元件，2000年至今已经在中国钢铁、电力、石油石化、煤矿、水泥建材等行业大量