IGBT驱动电流行为综述

IGBT驱动需要电流：

IGBT是一种电压驱动的电子开关，正常情况下只要给15V电压就可以饱和导通，实际器件的驱动是给栅极端口电容充放电，还是需要电流的。IGBT驱动电流峰值电流取决于栅极总电阻，电流取决于栅极电荷，但我们一般讲的是峰值电流。

 

驱动的峰值电流很好理解，按照欧姆定律，由驱动电压和驱动电阻决定：

但在小阻值驱动回路中，实际测得驱动电流一般比上述公式计算值要小，原因是驱动回路中还有杂散电感存在，因此电流峰值一般为计算值的70%。

如果栅极存在振荡，而且是低阻尼振荡的话，驱动电流会大于计算值，这在驱动电路设计中要考虑到。

 

栅极电感对驱动电流的影响：

 

先看一个实测的例子，结果可能出乎你意料，电感大，开通损耗低。

 

图中给出了一个实验测量结果。该实验中，比较了6cm和18cm长的双绞驱动线下的IGBT动态特性，长线18cm，驱动电感LG大，但开通损耗Eon降低了约31mJ。

 

 

这是为什么呢？

 

当将驱动连接到IGBT栅极时，不可避免地会存在寄生电感，且寄生电感与栅极电阻串联。这个寄生电感包括引线电感(无论这种连接是线缆或是电路板上的走线)，栅极电阻自身电感和与模块栅极结构的电感。

 

栅极引线电感对IGBT开通关断过程的影响如下图所示。引线电感越大，IGBT开通的di/dt和dv/dt越大。然而，关断时开关速度保持不变，但有延迟。

 

 

如何解释这一现象呢？电感特性就是阻止电流变化，在电感中电流不能突变，就是说最初时寄生电感阻碍着栅极电容充电，一旦达到最大栅极电流，电感就趋向维持这个电流，释放电感中的能量，就像一个电流源一样为IGBT的栅极电容充电，所以驱动电流是增加的，开通损耗降低。

 

实验发现只有在正负电源驱动中，如-15V/15V驱动的开通过程中才会出现这种现象，单电源，如0V/15V驱动的开通只会延迟，开关速度没变，开通损耗没有降低。这又是为什么呢？

 

对于IGBT，当栅极电压达到阀值电压UGE(TO)之前，它是关断的。在栅极电压为0V/15V的驱动器中，如果增加栅极引线电感，一般栅极电压超过UGE(TO)后栅极电流才达到最大值。在这种情况下，离开密勒平台后，才会有储存在寄生电感中的能量去充栅极电容，使得栅极电压最终达到15V，这时有点晚了，只会产生开通延迟，不会对开通速度产生影响。

 

在-15V/15V的栅极电压下，情况不同，在栅极电压即将达到UGE(TO)时，栅极电流已经达到最大，存储在寄生电感中的能量加快了IGBT开通速度，当然也产生开通延迟。

 

驱动电流越大越好吗？

 

这里讲的是实际的驱动电流，不是驱动器输出电流能力。设计驱动电流就是选栅极电阻值，驱动电流大就意味着减小栅极电阻Rg，要使得开关损耗最低，要找到电路不振荡的临界值。

 

 

振荡临界值：

 

含寄生参数的驱动电路，主要关注驱动线的电感，在这里只研究它对振荡临界值的影响。

 

在开通和关断时，假设IGBT的内部电容CGE恒定，寄生电感LG和独立的引线电感LGon与LGoff由二阶RLC电路的微分方程推导确定,即：

式中，L为栅极路径中电感的总和(H)；RG为外部和内部栅极电阻的总和(Ω)，iG(t)为随时间变化的栅极电流(A)。

 

求解上述微分方程得出Ipeak为：

式中，e为自然对数，e=2.71828。

 

同时可以得到栅极路径中不会引起振荡的最小栅极电阻RG,min为：

式中，∑LG为栅极负载电感总和(LG+LGon或LG+LGoff)(H)。

 

从公式中可以看出，如果电感LG比较大，相应的栅极电阻RG的值也必须增大，以避免振荡，尤其要注意RGon选值，太小的话，IGBT开通过快，一方面造成二极管的反向恢复损耗增加，甚至会导致续流二极管会发生跳变行为（snap-off），从而引起振荡，还有可能损坏二极管。

 

 

上图解读：开通过程中,由于栅极杂散电感太高（Rg电阻没有为此选很大时）导致二极管振荡并超出SOA (1.7kV IGBT模块)

 

举个数值例子：

 

如果驱动为+15V,-10V,那么∆UGE=25V，栅极回路电感量为20nH，IGBT的输入电容为30nF，那么：

如果设计中栅极电阻取值小于1.63欧姆，驱动电路就会振荡，如果在这一临界值上电路不振荡，那么驱动电流峰值为：

如果增加栅极电阻，寄生电感参数影响变小，系数0.74会接近1.0。

 

结论：

 

1

理解IGBT驱动电流很重要；

2

IGBT驱动线长，开通损耗可能降低；

3

驱动设计时需要选取合适的驱动电流，太小驱动能力不足，增加功率器件损耗，太大可能引起开通振荡。