栅射极并联电容对大功率IGBT开通过程的影响*

姜龙飞

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京100094）

绝缘型双极型晶体管（IGBT）正广泛的应用于中国高速动车组，与传统的电力晶体管（GTR）相比，其饱和压降更低，开关损耗小；输入阻抗高，输入特性与电力MOSFET类似，同电压电流情况下安全工作区区域更宽，具有更高的可靠性［1］。

高压大功率IGBT相比普通低压小功率IGBT而言，前者最典型的特点为输入电容更大，也就是说，要想满足一定的开关速度，其需要的栅极电阻更小，栅极峰值电流更大，进而能够快速的对栅极电容充放电，降低IGBT的开通损耗，但是在低栅极电阻的情况下，高的集电极电流变化率易导致IGBT模块在短路时超过其安全工作区而损坏［2］。

文献［3］分析了栅极电阻对IGBT开关过程中的影响，指出门极电阻的减少能够降低IGBT的开通损耗，但是会产生更高的dic/dt，单纯改变栅极电阻往往无法做到既优化开关特性又降低开通损耗，文献［3］指出在栅射极并联电容可以平衡这一对矛盾体，但是未针对这一对矛盾体的影响展开详细说明。

常规的中高压大功率IGBT往往通过引线式连接对应的驱动板，因此不可避免的引入了栅极引线电感［4］，栅极引线电感与栅极电阻串联，文献［3］指出，IGBT栅射极为容性结构，在IGBT开通过程中，栅极引线电感会阻碍栅射极电容的充电，在双极性栅极驱动模式下，在未达到阈值电压之前，栅极电流便会达到最大，此时栅极被逐渐增大的电流充电，相比低栅极电感的情况，其开通的速度更快，开通损耗更低。由于栅极引线电感的影响，栅射极并联外接电容实际上存在2种模式。

文中详细分析了栅射极并联电容2种模式下对IGBT动态特性的影响，指出2种模式下影响开通过程的原理不一致，并与无栅射极电容的模式进行对比，分析了2种模式的优缺点，最后搭建了双脉冲试验台，通过试验验证了分析的正确性，为IGBT的工程化应用提供参考。

1 IGBT开通过程动态分析

无并联电容模式下IGBT的开通过程如图1所示，其中IGBT驱动简化电路如图1（a）所示，无并联电容模式下IGBT开通过程的主要波形如图1（b）所示，由图1（b）所知，其开通过程可以分成4个阶段进行分析［5］：

图1 无并联电容模式IGBT开通过程

阶段一［t0~t1］，栅极电压由驱动负电压Vee升为开通阈值电压VGE（th），此时集电极电流为0，因此栅极电流iG只给寄生电感Lg与栅射极寄生电容CGE充电，栅集极寄生电容CGC不参与充电过程，在t1时刻，栅极电压达到开通阈值电压VGE（th），由此可得关系式为式（1）：

式中：VGE（th）为开通阈值电压，td（on）为开通延时。由式（1）可知，IGBT的开通延时受栅射极寄生电容CGE影响。

阶段二［t1~t2］，此阶段集电极电流iC由0增大，随着vCE电压降低，栅极电流iG给栅射极电容CGE与栅集极电容CGC充电，栅极电流iG降低，栅极电压vGE继续增大至密勒平台电压Vmiller。由此可得式（2）~式（5）：

式中：gm为IGBT的跨导。为分析方便，忽略寄生电感上的压降，将式（2）~式（5）简化可得式（6）：

式中：Cies为输入电容，其为栅射极电容CGE与栅集极电容CGC电容的等效之和，由式（6）可知，集电极电流变化率dic/dt受栅射极电容CGE与栅集极电容CGC电容的共同影响。

阶段三［t2~t3］，该阶段主要给栅集极电容CGC反向充电，栅极电压vGE维持在密勒平台电压保持不变，集电极电流iC保持不变，此时集射极电压vCE变化主要由于栅集极电压vGC变化导致，由此可得集射极电压变化率为式（7）：

式中：vGC为栅集极电压，Vmiller为密勒平台电压。

阶段四［t3~t4］，此阶段栅极电容继续上升至驱动正电压Vcc，集射极电压vCE达到IGBT饱和压降，开通过程结束。

通过对IGBT开通过程的分析可知，栅射极寄生电容CGE不仅仅影响导通延时，而且影响集电极变化率。

2 栅射极并联电容对IGBT开通过程的影响

2.1 GE端子直接并联电容模式

常见的栅射极并联电容主要是2种方式，一种是通过适配板直接并联在栅射极GE的端子上，一种是直接在驱动板上GE接线端子上并联电容，GE端子并联电容模式IGBT开通过程如图2所示。对于第一种情况，由于外接电容直接并联在模块GE端子两侧，IGBT模块驱动简化电路如图2（a）所示。

GE端子并联电容模式的IGBT开通主要波形如图2（b）所示。由图2（b）所知，其开通过程也分为4个阶段，与无并联电容模式比较，其主要影响开通过程的前2个阶段：

图2 GE端子并联电容模式IGBT开通过程

阶段一［t0~t1］，栅极电压由驱动负电压Vee升为开通阈值电压VGE（th），此时集电极电流为0，因此栅极电流iG仅仅给给寄生电感Lg与栅射极等效电容CGE-Y充电，栅集极寄生电容CGC不参与充电过程，在t1时刻，栅极电压达到开通阈值电压VGE（th），由此可得关系式为式（8）：

由式（8）可知，相比无并联电容模式而言，因为CGE-Y为栅射极寄生电容与外接电容并联，并联电容CGE-Y更大，因此该模式下开通延时更大。

阶段二［t1~t2］，此阶段集电极电流iC由0增大，随着vCE电压降低，栅极电流iG给栅射极电容CGE-Y与栅集极电容CGC充电，栅极电流iG降低，栅极电压继续增大至密勒平台电压Vmiller。由式（6）可知，其他条件一定的情况下，输入电容越大，其集电极电流变化率越小，由于并联外接电容，所以输入电容变大，因此其集电极电流变化率相比无电容的模式减小。

通过对GE端子并联电容模式的IGBT开通过程的分析可知，并联电容实际上增大了IGBT的输入电容，最终导致开通延时增大，集电极电流变化变慢。

2.2 驱动板并联电容模式

相比无并联电容的模式而言，由于栅极引线电感的存在，当板卡上外接并联电容时，驱动板并联电容模式的IGBT开通过程如图3所示，图1（a）的简化电路变为如图3（a）所示的简化电路。

图3 驱动板并联电容模式IGBT开通过程

驱动板并联电容模式下的IGBT开通主要波形如图3（b）所示，与无电容模式比较，其主要影响开通的前2个阶段。

阶段一［t0~t1］，因为CGE-Z的存在，栅极电流iG电流需要分出iC-Z用于电容CGE-Z的充电，对于阶段一，满足的关系为式（9）：

式中：iC-Z为流过并联电容CGE-Z的电流。由式（9）可知，相比无电容的模式，流过IGBT模块的栅极电流iG变小。

在t1时刻，满足的关系为式（10）：

由式（10）可知，其他条件不变的情况下，相比无并联电容情况，因为栅极电流iG变小，使得驱动板上并联电容模式的导通延时更大。

阶段二［t1~t2］，忽略Lg上的压降，简化公式可得式（11）：

由式（11）所知，相比无并联电容的情况，因为iC-Z分流的原因使得集电极电流变化率dic/dt变小。

通过对驱动板并联电容模式的IGBT开通过程的分析可知，并联电容并不影响IGBT模块的输入电容，主要通过将栅极电流分流导致延时增大，集电极电流变化更慢。

3 试验结果

搭建了适用于中高压IGBT测试的双脉冲测试台，自主设计了适用于中高压测试的驱动器，测试条件：输入电压Vin=1 800 V，集电极电流IC=1 500 A，可调电感设置为150μH。驱动板参数：导通电阻Ron=0.75Ω，Roff=3.2Ω，外接电容CGE=330 nF，试验所选用的门控线均保持一致。

在同等测试条件下不同模式开通过程对比图如图4所示，无栅射极电容与在模块GE端子上直接并联电容模式对比图如图4（a）所示，由图4（a）可知，模块GE端子上直接并联电容的开通延时td（on）更小，集电极电流变化率dic/dt更低，与理论分析一致；无栅射极电容与在驱动板并联电容模式对比图如图4（b）所示，由图4（b）可知，驱动板并联电容模式的开通延时td（on）更小，集电极电流变化率dic/dt更低，与理论分析一致。

图4 开通过程对比图

在同等测试条件下，无栅射极电容、模块GE端子直接并联电容、驱动板并联电容3种模式下的开通过程主要波形如图5所示。栅极电流对比如图5（a）所示，驱动板并联电容模式因为并联电容的分流导致栅极电流整体变低，进而影响了集电极电流变化率，而模块GE端子上并联电容模式增大了输入电容，使得栅极电流给输入电容充电的过程变缓，进而影响了集电极电流变化率，如图5（b）所示，2种模式对集电极电流变化率影响的原理是不一致的。

图5 3种模式下开通过程主要波形对比

3种模式下开通测试数据见表1，由测试数据可知，GE端子并联电容模式能显著降低集电极电流变化率dic/dt，驱动板并联电容模式虽然能降低集电极电流变化率，但是降低不明显，且开通损耗增加过大，因此在损耗要求高的场合，应尽量采用GE端子并联电容的模式。

表1 3种模式下开通测试数据

4 结束语

文中详细分析了并联栅射极电容2种模式对IGBT模块开通过程的影响，指出2种模式对集电极电流变化率影响的原理是不一致的。相比无栅射极电容的模式而言，GE端子并联电容模式与驱动板并联电容模式均能导致导通延时增加，集电极电流变化率降低，但是GE端子并联电容模式能显著降低集电极电流变化率，驱动板并联电容模式虽然能降低集电极电流变化率，但是降低不明显，且会大幅度增加开通损耗。最后搭建了双脉冲试验台，通过试验验证了分析的正确性。