影响IGBT动态特性参数浅析

陈喻

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412005）

1 概述

IGBT是由MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件，兼顾二者优点，同时具备高输入阻抗、低导通压降、驱动电压和驱动电流大的优点。目前，IGBT作为国家战略新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等电气领域应用广泛。本文主要就影响IGBT开关特性的几点关键驱动参数进行理论及试验分析，进而知晓各参数调整对IGBT开关特性的影响趋势，以便为实际应用IGBT时提供理论试验依据，更好地应用IGBT。

2 关键参数及其影响

2.1 栅极电阻

在IGBT驱动电路中，为了更好地控制IGBT开关特性，一般需要在栅极串联电阻。通过调节IGBT外部栅极电阻值，控制IGBT栅极内电容的充电电流，调控栅极电压上升的速度，进而影响IGBT开关特性。

图1 栅极驱动电阻配置方式

目前，常用的两种栅极电阻配置方式如图1所示。配置a是栅极开通电阻与关断电阻独立，RG(on)＝RG1，RG(off)＝RG2；配置b是栅极开通电阻与关断电阻关联，RG(on)＝RG1/RG2，RG(off)＝RG2.一般而言，开通电阻越大，IGBT开通越慢，IGBT开通损耗越大。对A公司某款IGBT模块进行开通电阻拉偏试验，集电极电流IC曲线如图2所示。开通电阻小，开通快，电流IC上升率大。

图3 关断电阻拉偏试验VCE曲线

针对NPT型IGBT而言，一般关断电阻越大，IGBT关断越慢，关断损耗大。对B公司某款IGBT进行关断电阻拉偏试验，集-射极电压VCE如图3所示。关断电阻小，关断快，VCE上升率大。在IGBT栅极串接栅极电阻，除了可以调节IGBT的通断速度外，同时还起到消除栅极震荡和转移驱动器功率损耗功效的作用。IGBT栅-射极之间是容性结构，同时栅极不可避免存在寄生电感，如果没有栅极电阻，栅极回路在驱动时会产生强震荡；同样，电感与电容是无功元件，不消耗有功，如果没有栅极电阻，驱动器的功率将大部分消耗在驱动器内部输出管上，容易损坏驱动器。

2.2 栅极电容

实际应用中，IGBT开关损耗值是一个重要指标。如果开通电阻过小，虽然开通损耗降低，但会导致diC/dt值远远大于数据手册中的值。一般在IGBT的G-E极外接栅极电容CGE，通过调节CGE值，进而实现将IGBT开关损耗值与diC/dt值控制在一个合理的范围内。

理论上IGBT外接栅极电容，IGBT开通diC/dt值与关断duCE/dt值变小，开通与关断时间变长，开关损耗值变大。

针对B公司某款IGBT进行栅极电容拉偏实验，绘制IGBT集-射极电压VCE曲线与集电极电流IC曲线。IGBT外接栅极电容大，IGBT开通duCE/dt值与关断duCE/dt值小，开通与关断时间变长。

开关损耗值对比如图4所示。外接栅极电容主要影响的是IGBT的开通损耗值，对关断损耗值的影响相对较小一些。

图4 栅极电容拉偏试验开关损耗值

2.3 栅极引线电感

在实际应用中，IGBT驱动板与IGBT栅极连接，不可避免地存在引线电感。

采用双极性栅极电压驱动方式驱动IGBT，引线电感越大，IGBT开通速度越快，diC/dt值越大；但IGBT关断速度不变，只是存在延迟。

采用单极性栅极电压驱动方式驱动IGBT，引线电感值对IGBT开通与关断速度没有影响，只是IGBT开通与关断过程会存在一个延时过程。

在IGBT开通过程中，引线电感会阻碍IGBT内部栅极电容充电，IGBT栅极电流慢慢增大，直到趋于达到最大栅极电流。引线电感起到一个电流源一样的作用，持续给栅极电容充电。双极性栅极电压IGBT驱动方式下，IGBT在即达到阈值电压之前，通过栅极引线电感作用，逐渐给IGBT内部栅极电容充电，IGBT开通快一些。单极性栅极电压IGBT驱动方式下，在达到阈值电压之前，IGBT处于关断状态，只有栅极电压离开米勒平台后，才会使得更多的栅极电荷达到驱动电压值。所以增大栅极引线电感，对采用单极性栅极电压IGBT驱动方式而言，不会影响IGBT开通速度，只是会存在一个延时过程。针对双极性栅极电压驱动方式，在IGBT驱动电路连接中，需要控制好栅极引线电感值，不能让之过大。栅极引线电感大，IGBT开通快，续流二极管换流快，可能会引起二极管电流震荡大，超出二极管SOA，损坏二极管。一般可以将驱动板直接安装在IGBT模块上，最小化模块与驱动板之间的引线电感值，进而规避由于引线电感大带来的负面影响。

2.4 结论

针对实际应用中影响IGBT开关特性的几点关键参数进行理论、试验分析对比，小结如下：①栅极开通电阻主要影响IGBT开通过程中diC/dt上升速度和开通损耗值。开通电阻小，diC/dt大，开通损耗值小。②针对NPT型IGBT而言，栅极关断电阻主要影响IGBT的关断duCE/dt速度与关断损耗值。关断电阻小，关断duCE/dt大，关断损耗值小。③栅极电容主要影响IGBT开关速度与开关损耗值。栅极电容大，开通diC/dt与关断duCE/dt小，开通与关断时间长，IGBT开关损耗大（主要是影响开通损耗值，对IGBT关断损耗值影响不大）。④栅极引线电感主要对双极性电压IGBT驱动的IGBT开关特性影响大一些。引线电感大，IGBT开通速度快，在换流过程中可能会引起续流二极管震荡大，超出其SOA，损坏二极管。

所以，在IGBT驱动应用设计中，需要重点关注开通电阻、关断电阻与栅极电容参数值的选型，以满足不同工况下不同类型的IGBT可靠、稳定的应用需求。同时，尽量降低栅极引线电感值，尽可能地避免IGBT换流过程中出现续流二极管损坏的情况。