应用指南
AN
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7004
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2007-10-31 – Rev00
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引言................................................................................................................................................................ 1
栅极电荷曲线.................................................................................................................................................. 1
测量栅极电荷.................................................................................................................................................. 3
确定栅极电荷.................................................................................................................................................. 3
驱动器输出功率 ..............................................................................................................................................5
栅极电流.........................................................................................................................................................5
栅极峰值电流.................................................................................................................................................. 6
选择合适的 IGBT 驱动器 ................................................................................................................................. 6
DriverSel – 简便的 IGBT驱动器计算方法 ........................................................................................................ 6
符号和术语 ..................................................................................................................................................... 7
参考文献.........................................................................................................................................................8
本应用指南提供了关于确定用于开关 IGBT 的驱动器输出
性能的信息。所提供的信息仅包括提示并不包含完整的设
计规则。信息并不全面，设计是否合适取决于用户自己。
引言
引言
引言引言
除功率模块自身外，电力电子系统的一个关键器件 是
IGBT 驱动器，它在功率晶体管和控制器之间形成了一个
极为重要的接口。基于这个原因，驱动器的选择和驱动器
输出功率的正确计算与转换器方案的可靠性紧密相连。驱
动力的不足或驱动器选择错误可能会导致模块和驱动器故
障。
栅极电荷曲线
栅极电荷曲线
栅极电荷曲线栅极电荷曲线
IGBT 模块的开关行为（导通和关断）取决于它的结构、
内部 电 容 （ 电荷 ） 以 及 内部和 外 部 阻 抗。当 需 要 计 算
IGBT 驱动器 电路的输 出功率时， 关键的参 数 是 栅极电
荷。栅极电荷由等效输入电容 CGC 和 CGE决定。
00
2007-10-31
Markus Hermwille
IGBT 驱动器的计算
关键词：IGBT 驱动器，计算，栅极电荷，功率，栅极电流
IGBT 电容
电容
电容电容
COLLECTOR: 集电极
EMITTER: 发射极
GATE:栅极
下表说明了电容的命名。在 IGBT 数据表中，这些电容被
指定为在“关断”状态下 IGBT 的受电压影响的低信号电
容。这些电容是不受温度影响，但是受集电极-发射极电压
影响，如下面的曲线所示。当集电极 -发射极电压非常低
时，这种依赖性将大幅度提高。
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寄生
寄生电容
电容和和和和 低信号电容
寄生寄生
电容
电容 意义
电容电容
CGE 栅极-发射极电容
CCE 集电极-发射极电容
低信号电容 C
电容电容
低信号电容低信号电容
意义
意义意义
, C
, C
oes
= f(VCE)
res
ies
CGC
低信号电容
低信号电容 意义
低信号电容低信号电容
C
= CGE + CGC 输入电容
ies
C
= CGC 反向传输电容
res
C
= CGC + CCE 输出电容
oes
栅极-集电极电容
（密勒电容）
意义
意义意义
f = 1MHz
下表给出了 IGBT 导通期间简化 的栅极 电荷波形 VGE=
f(t)、 IG=f(t)、VCE=f(t)和 IC=f(t)。导通过程可分为三个阶
段，分别为栅极-发射极电容充电阶段、栅极-集电极电容
充电阶段和栅极-发射极电容充电直到 IGBT 完全饱和阶
段。
IGBT 数据表中给出的栅极电荷特性。该特性给出了栅极发射级电压 VGE和栅极电荷 QG之间的关系。在 IGBT 模
块的额定电流下，栅极电荷线性增长。栅极电荷也依赖于
直流环节电压，尽管程度较轻。在更高的运行电压下，由
于密勒电容的巨 大影 响，栅极电荷增大。在大多数应用
中，该影响可忽略不计。
对于开关特性和驱动器的计算，输入电容可能只具有一定
程度的影响。确 定驱 动器输出功率更实际的方法是采用
简化的栅极电荷波形
简化的栅极电荷波形 栅极电荷特征
简化的栅极电荷波形简化的栅极电荷波形
栅极电荷特征
栅极电荷特征栅极电荷特征
VGE = 0V
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t0 开关时间段: 栅极电流 IG 对输入电容 CGE充电，栅极-发射极电压 VGE增大至 V
GE(th)
。根据栅极电阻的值，该状态下的电
流可能达几安培。由于 VGE仍低于 V
GE(th)
，此阶段无集电极电流流过，并且 VCE 与 VCC相等。
t1 开关时间段: 一旦 VGE超过 V
GE(th)
，IGBT 的导通过程开始。IC 开始增大并达到全负载电流 I
C(load)
，该电流对于理想的续
流二极管（如简化的波形图所示）有效。对于实际的续流二极管，IC 超过 I
C(load)
。这是因为在相反的方向上
流有反向恢复电流，该电流加到了 I
C(load)
上。由于续流二极管在 t2 部分的开始阶段仍传导电流，集电极-发
射极电压将不会下降。VGE达到平台电压 V
GE(pl)
。
t2 开关时间段: VGE维持为 V
GE(pl)
。当续流二极管关断，VCE 开始快速下降，此时 dvCE/dt 大。
t3 开关时间段: 当 VCE降至导通态电压 V
CEsat
，当电压下降时，密勒电容 CGC增大并由 IG充电。VGE仍旧维持在 V
GE(pl)
水
平。
t4 开关时间段: 在 t4 部分的开始阶段，IGBT 完全导通。传导至 CGE的电荷使 VGE指数级增大至栅极控制电压 V
GE(on)。IG
按指数形式衰减到 0，而 VCE 达到 V
CEsat
。
关断过程是按上述过程的反向运行。电荷必须从栅极移除。
测量栅极电荷
测量栅极电荷测量栅极电荷
测量栅极电荷
下表中给出了一个可以测量栅极电贺的简化测试电路。栅
极由恒流源供电。此外，集电极上施加了一个脉冲恒流。
由于 QG = IG × t ，恒定的栅极电流使得被测波形 VGE = f(t)
与 VGE = f(QG)相等。
文 档 IEC 60747-9, Ed.2: Semiconductor Devices –
Discrete Devices – Part 9: Insulated-Gate Bipolar
Transistors (IGBTs) 描述了栅极电荷的测试方法。
栅极电荷测量的基本测试电路
栅极电荷测量的基本测试电路 波形
栅极电荷测量的基本测试电路栅极电荷测量的基本测试电路
波形 VGE = f(t) ⇔⇔⇔⇔ VGE = f(QG)
波形波形
确定栅极
确定栅极电荷
确定栅极确定栅极
电荷
电荷电荷
用于驱动 IGB 所需的每脉冲栅极电荷可由栅极电荷特性图
确定，该图给出了栅极-发射极和栅极电荷之间的关系。总
栅极电荷可通过考虑所施加的栅极电压的幅值读出，即从
导通栅极电 压 V
到关断栅极 电 压 V
G(on)
。赛米控的
G(off)
如果只给出了正象限的栅极电荷曲线，栅极电荷幅值可通
过外推法读出，如下表所示。亮绿色表示 IGBT 数据表中
所给的图表区域。沿栅极电荷曲线平行移动亮绿色区域到
负象限并达到 V
，可以确定栅极电荷的幅值。
G(off)
IGBT数据表给出了正负象限的栅极电荷曲线。
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栅极电荷特征
栅极电荷特征 （（（（以以以以 SKM400GB126D 为例）
栅极电荷特征栅极电荷特征
V
G(on)
V
G(off)
为例） 外推法
为例）为例）
Q
G
确定栅极电荷的另一个方法是使用输入电容 C
和一个特
ies
别因子，而不是栅极电荷曲线。IGBT 数据表给出了 C
的值。
带带带带 C
的的的的栅极电荷计算方法
ies
方法
方法方法
栅极电荷可表示为：
−×=
)VV(CQ
)off(G)on(GGG
其中
CkC ×=
iesCG
栅极电容因子 kc 可近似计算为
Q
k
=
C
)ds(G
−×
)VV(C
)off(G)on(Gies
其中Q
上的栅极电压。
在IGBT数据表中指定， V
G(ds)
G(on和VG(off)
是施加在Q
因此，另一种栅极电荷的计算方法如下：
−××=
)VV(CkQ
)off(G)on(GiesCG
G(ds)
外推法
外推法外推法
在适当的时间，必须具备必要的栅极电荷或每脉冲充电能
ies
量。这只能通过在驱动器输出级使用低阻抗、低电感输出
电容来获得。电容的大小由计算出的 QG 表示。栅极电荷
是确定驱动器输出功率和栅极电流的基本参数。
请注意：
请注意：
请注意：请注意：
本方 法并不完全 精确， 只能应 用在无 栅极电荷波 形的情 况
下。
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驱动器输出功率
驱动器输出功率驱动器输出功率
驱动器输出功率
可以看出，驱动 IGBT所需的各个内部供给的功率可以看作是预期开关频率和用于对 IGB 进行充放电的能量的函数。
∫
每通道驱动器输出功率的计算
每通道驱动器输出功率的计算
每通道驱动器输出功率的计算每通道驱动器输出功率的计算
功率可表示为
fEP ×=
sw)out(GD
替换
−×=
,
)VV(QE
)off(G)on(GG
则每通道驱动器输出功率为：
f)VV(QP ×−×=
sw)off(G)on(GG)out(GD
使用C
方法近似计算驱动器功率：
ies
2
f)VV(CkP ×−××=
sw
)off(G)on(GiesC)out(GD
栅极电流
栅极电流
栅极电流栅极电流
IGBT 驱动电路的一个关键要求是提供足够的电流对 IGBT
的输入电容进行充放电，从而可以导通和关断 IGBT。栅
到。计算得到的栅极电流是驱动器每通道输出级的最小平
均输出电流 I
outAVG
。
极电流可以使用计算 IGBT 输入电容充电的公式计算得
IGBT 电容
电容 栅极电流的计算
电容电容
栅极电流的计算
栅极电流的计算栅极电流的计算
电荷可计算如下：
= idtQ
G
由于
因此总栅极电荷为：
,
tiQ ×=
swGEGE
tiQ ×=
swGCGC
t)ii(QQQ ×+=+=
swGCGEGCGEG
替换
t =
1
f
sw
平均栅极电流为：
fQIII ×=+=
swGGCGEG
使用C
方法近似计算平均栅极电流：
ies
f)VV(CkI ×−××=
sw)off(G)on(GiesCG
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栅极峰值电流
栅极峰值电流栅极峰值电流
栅极峰值电流
IGBT 开关时间受 IGBT 栅极的充放电控制。如果栅极峰值
电流增大，导通和关断时间缩短，开关损耗也减小。这显
然对其他开关参数有影响，例如过压极限，该参数是必须
被关注的。栅极电荷电流可由栅极电阻 R
G(on)
和 R
G(off)
控
制。理论峰值电流值 I
GPEAK
可由下面的公式计算。在计算
峰值 栅 极 电 流 时必须考 虑 IGBT 模块的 内 部 栅 极电阻
R
G(int)
。在实际中，杂散电容的存在使得实际峰值电流小于
理论值。
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应用指南应用指南
栅极峰值电流
栅极峰值电流 计算
栅极峰值电流栅极峰值电流
计算
计算计算
栅极峰值电流的计算如下：
I
GPEAK
=
VV
−
)off(G)on(G
RR
+
(int)GG
IGBT驱动器的数据表中会给出最大峰值电流和栅极电阻的最小值。如果超过这个范围，驱动器的输出可能会被损坏。
选择合适的
选择合适的 IGBT 驱动器
选择合适的选择合适的
驱动器
驱动器驱动器
当为各个应用选择合适的 IGBT 驱动器时，必须考虑下列
细节：
驱动器必须能够提供所需的栅极电流（输出电流/输出功
率）。驱动器的最大平均输出电流必须高于计算值。
驱动器的最大峰值栅极电流必须等于或大于计算得到的
最大峰值栅极电流。
驱动器的输 出电容 必须能够产生所需的栅极电荷以对
IGBT 的栅极充放电。在赛米控驱动器的数据表中，给
出了每脉冲的最大电荷。在选择合适的驱动器时，必须
duly 考虑该值。
其他在 IGBT 驱动器选择中还值得提及的参数包括绝缘电
压和 dv/dt 能力。
DriverSel – 简便的
使用 DriverSel，可以在不考虑应用的类型的情况下方便地
进行 IGBT 驱动器计算和选择合适的驱动器。该软件工具
考虑到了上述的特点和公式，并以所选择的 IGBT 模块、
并联模块的数量、栅极电阻、开关频率和集电极-发射极电
压为基础计算合适的 IGBT 驱动器。该工具可为任何品牌
和封装的 IGBT 进行驱动器的计算和选择，并且也计算所
需的栅极电荷和平均电流。
简便的 IGBT 驱动器计算方法
简便的简便的
驱动器计算方法
驱动器计算方法驱动器计算方法
链接：
链接：
DrivelSel 是一款免费软件工具，可从赛米控的网页 http://semisel.semikron.com/DriverSelectTool.asp
链接：链接：
获得。
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应用指南应用指南
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DriverSel 的的的的截屏
截屏
截屏截屏
符号和术语
符号和术语
符号和术语符号和术语
字母符号
字母符号 术语
字母符号字母符号
CCE 集电极-发射极电容
CG 栅极有效电容
CGC 栅极-集电极电容
CGE 栅极-发射极电容
C
IGBT 输入电容
ies
C
IGBT 输出电容
oes
C
IGBT 反向传输电容
res
dvCE/dt 集电极-发射极电压的上升和下降速率
E 电气能量
fsw 开关频率
IC 集电极电流
I
集电极电流脉冲常数
Cpuls
IG 栅极电流
IGM 栅极峰值电流
I
驱动器平均输出电流
outAVG
kC 栅极电容因数
P
驱动器输出功率
GD(out)
QG 栅极电荷
术语
术语术语
QGC 栅极-集电极电荷
QGE 栅极-发射极电荷
RG 栅极电阻
R
IGBT 模块内部电阻
G(int)
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R
G(off)
关断栅极电阻
R
G(on)
导通栅极电阻
t 时间
tsw 开关时间
VCC 集电极-发射极电源
VCE 集电极-发射极电压
V
CEsat
集电极-发射极饱和电压
VG 栅极电压（输出驱动器）
V
G(off)
关断栅极电压（输出驱动器）
V
G(on)
导通栅极电压（输出驱动器）
VGE 栅极-发射极电压
V
GE(pl)
开关期间的栅极-发射极电压坪
V
GE(th)
栅极-发射极门槛电压
参考文献
参考文献参考文献
参考文献
[1] www.SEMIKRON.com
[2] Application Manual Power Modules, SEMIKRON
International
[3] M. Hermwille, "Plug and Play IGBT Driver Cores for
Converters", Power Electronics Europe Issue 2, pp.
10-12, 2006
[4] M. Hermwille, "Gate Resistor – Principle and
Application", Application Note AN-7003, SEMIKRON
[5] P. Bhosale, M. Hermwille, "Connection of Gate
Drivers to IGBT and Controller", Application Note AN7002, SEMIKRON
[6] IEC 60747-9, Ed.2: Semiconductor Devices –
Discrete Devices – Part 9: Insulated-Gate Bipolar
Transistors (IGBTs)
声明
声明声明
声明
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