SEMIKRON AN-7004 Application Note

应用指南

AN

-

7004

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2007-10-31 – Rev00

© by SEMIKRON

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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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应用指南 AN-7004

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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。