IGBT晶体管的结构要比@@ MOSFET 或@@双极结型@@晶体管@@ (BJT) 复杂得多@@。它结合了这两种器件的特点@@，并且有三个@@端子@@：一个栅极@@、一个集电极和@@一个发射极@@。就栅极驱动@@而言@@@@，该器件的行为@@类似于@@ MOSFET。它的载流路径与@@ BJT 的集电极@@-发射极路径非常相似@@。图@@ 1 显示了@@ n 型@@ IGBT 的等效器件电路@@@@。
dv/dt 为@@关断时集电极上电压波形上升的速率@@@@
图@@片@@为@@栅极@@的平台电平@@@@
Rg为@@总栅极电阻@@
Cgc 为@@栅极@@-发射极电容@@
应注意@@，数据表上的@@ Ciss 是@@ Cge 和@@ Cgc 电容的并联等效值@@。
类似地@@，Rg 是@@栅极驱动@@器阻抗@@、物理栅极电阻和@@内部栅极电阻的串联和@@@@。内部栅极电阻有时可根据数据表计算出来@@。如果计算不出来@@，可通过以下方式进行测量@@：使用@@ LCR 电桥并使集电极@@-发射极引脚短路@@，然后在@@接近开关频率的频率下测量等效串联@@ RC。
如果使用@@的是@@@@ FET 输出级@@，则可以在@@其数据表中找到驱动器@@阻抗@@。如果无法在@@数据表上找到@@，可通过将峰值驱动电流取为@@其额定@@ VCC 电平@@来进行近似计算@@。
图@@ 1. IGBT的等效电路@@@@
了解基本驱动器@@@@图@@ 2. IGBT的导通电流@@
为@@了快@@速导通和@@关断@@ BJT，必须在@@每个方向上硬驱动栅极电流@@，以将载流子移入和@@移出基极区@@。当@@ MOSFET 的栅极被驱动为@@高电平@@时@@，会存在@@一个从双极型@@晶体管的基极到其发射极的低阻抗路径@@。这会使晶体管快@@速导通@@。因此@@，栅极电平@@被驱动得越高@@，集电极电流开始流动的速度就会越快@@@@。基极和@@集电极电流如图@@@@@@ 2 所示@@。图@@ 3. IGBT的关断电流@@
关断场景有点不同@@，如图@@@@ 3 所示@@。当@@ MOSFET 的栅极电平@@被拉低时@@，BJT 中将没有基极电流的电流路径@@。基极电流的缺失会诱发关断过程@@；不过@@，为@@了快@@速关断@@，应强制电流进入基极端子@@。由于@@没有可用的机制将载流子从基极扫走@@，因此@@ BJT 的关断相对较慢@@。这导致了一种被称为@@尾电流的现象@@，因为@@基极区中存储的电荷必须被发射极电流扫走@@。 很明显@@，更快@@的栅极驱动@@@@ dv/dt 速率@@（源于更高的栅极电流能力@@）将会更快@@地接通和@@关断@@ IGBT，但对于器件的开关速度@@（特别是@@关断速度@@）而言@@，是@@存在@@固有限制的@@。正是@@由于@@这些限制@@，开关频率通常在@@@@ 20kHz 至@@ 50kHz 范围内@@，尽管@@在@@特殊情况下它们也可以用于更快@@和@@更慢的电路@@@@。IGBT 通常用于谐振和@@硬开关拓扑中的高功率@@ (Po > 1 kW) 电路@@。谐振拓扑最大@@程度降低了开关损耗@@，因为@@它们要么是@@零电压开关@@，要么是@@零电流开关@@。 较慢的@@ dv/dt 速率@@可以提高@@@@ EMI 性能@@（当@@涉及这方面问题时@@），并在@@导通和@@关断转换期间减少尖峰的形成@@。这是@@以降低效率为@@代价的@@，因为@@此时导通和@@关断的时间会比较长@@。 二次导通@@ MOSFET 存在@@一种称为@@二次导通@@的现象@@。这是@@由于@@漏电压的@@ dv/dt 速率@@非常快@@@@，其范围可以在@@@@ 1000–10000 V/us 之间@@。尽管@@ IGBT 的开关速度通常不如@@ MOSFET 快@@，但由于@@@@所使用@@的是@@高电压@@，因此@@它们仍然可以遭遇非常高的@@ dv/dt 电平@@。如果栅极电阻过高@@，就会导致二次导通@@@@。图@@ 4. 带有寄生电容@@的@@IGBT
在@@这种情况下@@，当@@驱动器@@将栅极电平@@拉低时@@，器件开始关断@@，但由于@@@@ Cgc 和@@ Cge 分压器的原因@@，集电极上的电压升高会在@@栅极上产生电压@@。如果栅极电阻过高@@，栅极电压可升高到足以使器件重新导通@@。这将导致大功率脉冲@@，从而可能引发过热@@，在@@某些情况下@@甚至@@会损坏器件@@。 该问题的限制公式为@@@@：图@@ 5. 三个@@IGBT的关断波形@@
对于该情况而言@@@@，IGBT #2 的典型@@@@ Cgc 为@@ 84 pF，而阈值栅极电压为@@@@ 7.5 V（在@@ 15 A 的条件下@@）。 利用上述公式@@，该电路@@的最大@@总栅极电阻为@@@@@@：图@@ 6. 等效栅极驱动@@电路@@@@
栅极振铃@@ 去除外部栅极电阻器可能会获得最佳的高频性能@@@@，同时确保不会发生二次导通@@@@。在@@某些情况下@@，这可能会起作用@@，但也可能由于@@栅极驱动@@电路@@中的阻抗而导致振荡@@。 栅极驱动@@电路@@为@@串联@@ RLC 谐振电路@@@@。电容主要源于@@ IGBT 寄生电容@@。所示@@的两个电感则源自@@ IGBT 和@@驱动器@@的板走线电感与焊线电感的组合@@。 在@@栅极电阻很小或@@没有栅极电阻的情况下@@，谐振电路@@@@将会振荡并造成@@ IGBT 中的高损耗@@。此时需要有足够大的栅极电阻来抑制谐振电路@@@@@@，从而消除振荡@@。 由于@@电感难以测量@@，因此@@也就很难计算适合的电阻@@。要最大@@程度降低所需的最小@@栅极电阻@@，最佳方案是@@采用良好的布局程序@@。 驱动器@@与@@ IGBT 栅极之间@@的路径应尽可能短@@。这适用于栅极驱动@@的整个电路@@路径以及接地回路路径@@。如果控制器不包括集成驱动器@@@@，则将@@ IGBT 驱动器@@置于@@ IGBT 的栅极附近要比将栅极驱动@@器的输入置于控制器的@@ PWM 输出端更为@@重要@@。从控制器到驱动器@@的电流非常小@@，因此@@相比从驱动器@@到@@ IGBT 的高电流和@@高@@ di/dt 电平@@所造成的影响@@，任何杂散电容的影响都要小得多@@。短而宽的走线是@@最大@@程度降低电感的最佳方式@@。 典型@@的最小@@驱动器@@电阻范围为@@@@ 2Ω至@@ 5Ω。这其中@@包括驱动器@@阻抗@@、外部电阻值和@@内部@@ IGBT 栅极电阻值@@。一旦设计好板的布局@@，即可确定并优化栅极电阻值@@@@。 总结@@ 本文给出了最大@@和@@最小@@栅极电阻值@@的指南@@。在@@这些限值之间@@有一个取值范围@@，藉此可以对电路@@进行调谐@@，从而获得最大@@效率@@、最小@@ EMI 或@@其他重要参数@@。在@@电路@@设计中取一个介于这些极值之间@@的安全值可确保设计的稳健@@。 参考文献@@ [1]《Power Semiconductor Devices》（功率半导体器件@@），B. Jayant Baliga，PWS Publishing Company，Boston。ISBN 0−534−94098−6 文章来源@@：安森美@@