IGBT的栅极驱动设计

前面我们也聊到过IGBT的栅极驱动设计，虽然今天聊的可能有些重复，但是感觉人到中年，最讨厌的就是记忆力不够用，就当回顾和加重记忆吧。

栅极驱动的优劣和功能的强大与否对IGBT本身的工作性能和可靠性有着直接的关系，只有匹配才能充分发挥IGBT该有的性能。栅极驱动提供的驱动脉冲幅度以及波形关系到IGBT的饱和压降，开通和关断时瞬间集电极电压，电流的上升和下降速率等因素，直接影响到IGBT的损耗和发热，也就是间接地影响到整个系统的性能和可靠性。

驱动条件和主要运行特性的关系

由于IGBT的饱和压降、开通和关断瞬间的集电极电压，电流上升和下降速率等主要运行特性是随着IGBT的驱动条件：栅极正/负电压和栅极驱动电阻等而变化的，所以，合理地选择IGBT的驱动条件显得尤为重要。

具体关系如下：

01栅极正电压

关于+VGE的设计需要考虑以下几点：

①+VGE需要控制在IGBT栅极所允许的最大额定电压(一般为+20V)范围内;

②+VGE的推荐值一般为+15V，此时IGBT可以饱和导通，并且损耗较小。如果小于+12V，则通态损耗将增大;如果大于+20V，则容易过流;

③+VGE的设定值还需要考虑栅极驱动电路中器件允许工作电压范围内;

④电源电压的波动推荐再±10%内;

⑤IGBT饱和导通期间C-E之间的电压VCE(sat)随+VGE变化，+VGE越大，VCE(sat)越小;

⑥+VGE越大，开通时间和开通损耗越小;

⑦+VGE越大，使开通时di/dt越大，增加了续流二极管FWD反向恢复时的浪涌电压;

⑧因FWD反向恢复时的dv/dt会使IGBT误导通，形成脉冲式的集电极电流，造成损耗增加，发热加重;

⑨通常+VGE越大，IGBT短路电流也越大;

⑩+VGE越大，IGBT短路耐受能力越小。

02栅极正电压

关于-VGE的设计需要考虑以下几点：

①-VGE需要控制在IGBT栅极所允许的最大额定电压(一般为-20V)范围内;

②-VGE的推荐值为-5V~-15V;

③-VGE的设定值也必须在驱动电路器件的允许电压范围之内;

④电源电压波动在±10%范围内;

⑤-VGE越大，管段时间和关断损耗越小;

⑥-VGE的设计可使IGBT在噪声情况下有效关断，同时避免了dv/dt造成的米勒效应误导通。

03栅极驱动电阻

在设计中，RG的取值对IGBT的动态运行特性有着重要影响。首先，RG越大，控制脉冲的前、后沿陡度越小，开关时间和开关损耗越大。其次，RG越大，相反浪涌电压会越小，米勒效应导致的误导通不易出现。

IGBT栅极电荷和驱动电流

IGBT本身具有MOS栅器件的结构，在开通和关断时必须具有一定的栅极充放电电流，也就是栅极驱动电流。而栅极电荷Qg直接影响到驱动电流的大小，因此，可以通过栅极充电电荷量特性(如下图)来计算栅极驱动电流。驱动原理框图如下，脉冲输入以及电压、电流波形也见下图，电流波形所表示的面积应和充放电电荷量相等。

栅极充电电荷量曲线

驱动电路原理框图

脉冲输入及电压、电流波形

驱动电流的峰值计算如下：

Igp=(+VGE-(-VGE))/RG

在栅极充电电荷量曲线中，VGE从0开始上升的斜率基本与IGBT输入电容Cies等效，而负电压部分可作为延长考虑。因此，驱动电流的平均值Ig计算如下：

+Ig=-Ig=fc*(Qg+Cies*|-VGE|)

其中，fc为载流子频率。

可以根据上面的情况结合实验情况来选取合适的驱动电阻RG。