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IGBT模块参数详解二-IGBT动态参数

IGBT模块动态参数是评估IGBT模块开关性能如开关频率、开关损耗、死区时间、驱动功率等的重要依据,本文重点讨论以下动态参数:模块内部栅极电阻、外部栅极电阻、外部栅极电容、IGBT寄生电容参数、栅极充电电荷、IGBT开关时间参数,结合IGBT模块静态参数可全面评估IGBT芯片的性能。
RGint:模块内部栅极电阻:
为了实现模块内部芯片均流,模块内部集成有栅极电阻。该电阻值应该被当成总的栅极电阻的一部分来计算IGBT驱动器的峰值电流能力。
模块内部栅极电阻
internal gate resistor of IGBT
RGext:外部栅极电阻
外部栅极电阻由用户设置,电阻值会影响IGBT的开关性能。
外部栅极电阻
上图中开关测试条件中的栅极电阻为Rgext的最小推荐值。
用户可通过加装一个退耦合二极管设置不同的Rgon和Rgoff。
不同的Rgon和Rgoff
不同的Rgon和Rgoff工作过程
最大及最小外部门极电阻计算公式
已知栅极电阻和驱动电压条件下,IGBT驱动理论峰值电流可由下式计算得到,其中栅极电阻值为内部及外部之和。
IGBT驱动理论峰值电流计算公式
实际上,受限于驱动线路杂散电感及实际栅极驱动电路非理想开关特性,计算出的峰值电流无法达到。
如果驱动器的驱动能力不够,IGBT的开关性能将会受到严重的影响。
最小的Rgon由开通di/dt限制,最小的Rgoff由关断dv/dt限制,栅极电阻太小容易导致震荡甚至造成IGBT及二极管的损坏。
Cge:外部栅极电容:
高压IGBT一般推荐外置Cge以降低栅极导通速度,开通的di/dt及dv/dt被减小,有利于降低受di/dt影响的开通损耗。
外部栅极电容
外部栅极电容对IGBT开关动作的影响
IGBT寄生电容参数
IGBT寄生电容参数
IGBT寄生电容是其芯片的内部结构固有的特性,芯片结构及简单的原理图如下图所示。输入电容Cies及反馈电容Cres是衡量栅极驱动电路的根本要素,输出电容Coss限制开关转换过程的dv/dt,Coss造成的损耗一般可以被忽略。
IGBT内部寄生电容
其中:
Cies = CGE + CGC:输入电容(输出短路)
Coss = CGC + CEC:输出电容(输入短路)
Cres = CGC:反馈电容(米勒电容)
动态电容随着集电极与发射极电压的增加而减小,如下图所示。
动态电容随着集电极与发射极电压的变化关系
手册里面的寄生电容值是在25V栅极电压测得,CGE的值随着VCE的变化近似为常量。CCG的值强烈依赖于VCE的值,并可由下式估算出:
CGE及CGC计算公式
IGBT所需栅极驱动功率可由下式获得:
IGBT所需栅极驱动功率或者IGBT所需栅极驱动功率
QG:栅极充电电荷:
栅极充电电荷

栅极充电电荷可被用来优化栅极驱动电路设计,驱动电路必须传递的平均输出功率可通过栅极电荷、驱动电压及驱动频率获得,如下式:
栅极充电电荷
其中的QG为设计中实际有效的栅极电荷,依赖于驱动器输出电压摆幅,可通过栅极
IGBT开关时间参数电荷曲线进行较精确的近似。
栅极充电电荷特性曲线
通过选择对应的栅极驱动输出电压的栅极电荷,实际应该考虑的QG’可以从上图中获取。工业应用设计中,典型的关断栅极电压常被设置为0V或者-8V,可由下式近似计算:
栅极充电电荷与VGE关系
例如,IGBT的栅极电荷参数如上表,实际驱动电压为+15/-8V,则所需的驱动功率为:
驱动功率计算公式
IGBT开关时间参数:
开通延迟时间td(on)开通时,从栅极电压的10%开始到集电极电流上升至最终的10%为止,这一段时间被定义为开通延迟时间。
开通上升时间tr开通时,从集电极电流上升至最终值的10%开始到集电极电流上升至最终值的90%为止,这一段时间被定义为开通上升时间。
关断延迟时间td(off)关断时,从栅极电压下降至其开通值的90%开始到集电极电流下降到开通值的90%为止,这一段时间被定义为关断延迟时间。
关断下降时间tf关断时,集电极电流由开通值的90%下降到10%之间的时间。
开关时间的定义由下图所示:
IGBT开关波形
因为电压的上升下降时间及拖尾电流没有制定,上述开关时间参数无法给出足够的信息用来获取开关损耗。因而,单个脉冲的能量损耗被单独给出,单个脉冲开关损耗可由下列积分公式获得:
Eon及Eoff计算公式
单个脉冲的开关时间及能量参数强烈地依赖于一系列具体应用条件,如栅极驱动电路、电路布局、栅极电阻、母线电压电流及结温。因而,手册里的值只能作为IGBT开关性能的参考,需要通过详细的仿真和实验获得较为精确的值。
针对半桥拓扑电路,可根据手册里的开关时间参数,设置互补的两个器件在开通及关断时的死区时间。
死区时间计算公式
IGBT动态时间参数
IGBT动态损耗参数及波形
IGBT开关损耗特性曲线
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