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IGBT的工作原理和对驱动电路的要求

作者:海飞乐技术 时间:2018-10-08 17:58

  1. 栅极电荷特性及工作过程
  IGBT器件的寄生电容和封装寄生电阻是决定开关特性的主要因素。图1所示为IGBT器件的寄生电容示意图。

IGBT寄生电容示意图 
图1 IGBT寄生电容示意图                   图2 等效电路图
 
  由等效电路图可知,IGBT的寄生电容主要由三部分组成,分别是集电极-发射极电容CCE,栅极-发射极电容CGE和栅极-集电极电容CGC,又称米勒电容。其中,后两者可以表示IGBT的栅极电荷特性,是设计IGBT驱动电路的主要影响因素。栅极电容与电压相关且几乎不受温度影响,是VCE的函数。当VCE相对比较低时,影响十分显著,随着VCE的升高,影响效果下降。
IGBT开通过程 
图3 IGBT开通过程
 
  图3所示为集电极电流IC、集电极-发射极极间电圧uCE随栅极-发射极极间电压uGE变化的曲线,即IGBT开通过程的简化波形。导通过程由三个阶段组成。首先是驱动电压uGE为栅极-发射极极间电容CGE充电,当电压达到IGBT的开通阔值电压VGE(th)时,集电极电流IC开始上升,集电极-发射极电压uCE开始缓慢下降。接下来继续为输入电容充电直至IGBT米勒平坦区,过程中集电极电流IC达到最大值,电压uCE迅速下降至IGBT通态压降。最后栅极电流IG继续对输入电容充电直至IGBT全饱和。IGBT的关断过程与其开通过程相反。
 
  2. IGBT器件对驱动电路的要求
  IGBT驱动电路的实质是为栅极电容充电的过程,即提供合适的触发脉冲为输入电容充电。对于IGBT器件来说,其开关特性主要体现在栅极输入电容和内部封装电阻以及外加栅极电阻。在脉冲功率系统中,要求开关的导通速度快,提高脉冲形成网络输出波形的质量,因此在设计驱动电路时,往往忽略外加的栅极电阻,即只考虑IGBT模块的栅极输入电容和封装栅极内阻的影响。
 
  根据以上分析可知,在脉冲功率应用中,对于IGBT栅极驱动电路有如下要求:
  1、驱动信号要有陡峭的脉冲前后沿,实现快速为栅极输入电容充电;
  2、为提高IGBT的导通速度,需要尽可能减小栅极充放电回路时间常数;
  3、在允许开关使用寿命的情况下,栅极驱动电流要尽可能的大,使开关波形的前后沿陡峭。




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