IGB門(mén)極開(kāi)通電壓尖峰的機(jī)理分析及仿真驗(yàn)證

大家好，最近工作比較忙，更新文章有點(diǎn)慢，說(shuō)實(shí)話(huà)寫(xiě)篇自己還算看得過(guò)去的文章確實(shí)挺費(fèi)時(shí)間，為了保證每周至少一篇文章，找點(diǎn)簡(jiǎn)單的話(huà)題聊聊吧。

作為一名電力電子硬件工程師，我們?cè)谧鰷y(cè)試時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到一些比較“奇怪”的波形。說(shuō)奇怪主要是因?yàn)檫@些波形要么非常難看，各種振蕩，要么很難分析，搞不清楚具體原因，有時(shí)候這些測(cè)試能整到你懷疑人生。

對(duì)于這些“奇怪”波形，一部分是由于測(cè)量原因造成的，有些確是實(shí)實(shí)在在的波形。分析不透的根本原因是我們對(duì)電磁學(xué)知識(shí)理解不夠深入，事實(shí)上任何一個(gè)波形都可以被科學(xué)的解釋。為了讓大家少走彎路，老耿從網(wǎng)絡(luò)上找了一些比較有代表性的波形，給大家解讀一下具體的機(jī)理，如果大家有比較好的素材也可以提供給我，免費(fèi)幫大家分析分析!

案例: 圖1所示的IGBT門(mén)極開(kāi)通電壓尖峰是怎么回事? 圖片來(lái)源21世紀(jì)電源網(wǎng)，網(wǎng)名：moon。

圖1a IGBT門(mén)極開(kāi)通尖峰

圖1b IGBT門(mén)極開(kāi)通尖峰

機(jī)理分析：

IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)的等效電路如圖2所示：

圖2. IGBT驅(qū)動(dòng)等效電路

IGBT開(kāi)通瞬間門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路相當(dāng)于一個(gè)RLC串聯(lián)回路，其中：

Rg為驅(qū)動(dòng)電阻Rg,ext和內(nèi)部電阻Rg,int之和;

Cg為IGBT輸入電容Cies，門(mén)極電容Gge和米勒電容Cgc之和;

Lg為門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路的寄生電感Ls1。

數(shù)學(xué)可描述為二階微分方程：

老耿數(shù)學(xué)不太好，方程求解就不說(shuō)了，后面直接看仿真。IGBT開(kāi)通過(guò)程的理想波形如圖3所示，開(kāi)通瞬態(tài)門(mén)極電壓尖峰主要發(fā)生在開(kāi)通延遲階段(圖中未畫(huà)出門(mén)極電壓尖峰)。

圖3.IGBT開(kāi)通理想波形

這個(gè)時(shí)候IGBT還沒(méi)有開(kāi)通，由于開(kāi)通瞬態(tài)IGBT輸入電容相當(dāng)于短路，因此門(mén)極電流Ig快速上升至峰值電流，隨后門(mén)極電容會(huì)逐漸被充電至開(kāi)啟閾值電壓Vge,th，米勒平臺(tái)Vgep，最后到Vcc，門(mén)極電流也逐漸減小至0。

開(kāi)通瞬態(tài)門(mén)極電流的上升速率dIg/dt是非?？斓?，可以達(dá)到幾十ns，一般情況下驅(qū)動(dòng)推挽電路的上管開(kāi)通速度越快，門(mén)極電阻越小，di/dt就會(huì)越大，因此尖峰也會(huì)越高。

搞清楚機(jī)理后，大家就應(yīng)該知道這個(gè)尖峰對(duì)IGBT是沒(méi)有什么影響的，只是內(nèi)部寄生電感上的尖峰，實(shí)際上此時(shí)IGBT真實(shí)的門(mén)極電壓Vge為0。

開(kāi)通的時(shí)候存在電壓尖峰，關(guān)斷的時(shí)候也會(huì)存在，道理同上。大家仔細(xì)看一下圖1b中綠色的門(mén)極關(guān)斷波形，也會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)下垂的小尖峰。

仿真驗(yàn)證：

為了驗(yàn)證上面的分析，在saber軟件中搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的雙脈沖測(cè)試電路，如圖4所示：

圖4. 雙脈沖仿真電路

IGBT是軟件自帶的仿真模型，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻為4Ω，驅(qū)動(dòng)回路的寄生電感為10nH，仿真波形如圖5所示，開(kāi)通暫態(tài)門(mén)極電壓有個(gè)向上的尖峰，關(guān)斷暫態(tài)有個(gè)向下的尖峰。

圖5. 門(mén)極尖峰仿真波形

有些小伙伴可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，第二次開(kāi)通IGBT集電極電流怎么沒(méi)有反向恢復(fù)電流啊，這是因?yàn)閟aber自帶的二極管模型無(wú)法仿真反向恢復(fù)特性。

總結(jié)：

① IGBT開(kāi)通門(mén)極電壓的尖峰不會(huì)對(duì)器件造成任何影響，大家不用擔(dān)心;

② 并不是所有的測(cè)試都能看到這個(gè)尖峰，測(cè)試尖峰的大小與驅(qū)動(dòng)電路，待測(cè)器件以及探頭測(cè)試位置都有關(guān)系;

③ 電力電子應(yīng)用過(guò)程中無(wú)論是功率回路的電壓尖峰還是驅(qū)動(dòng)回路的電壓尖峰，都是由于寄生電感和快速的電流變化造成的，兩者缺一不可;

④ Saber在進(jìn)行IGBT仿真時(shí)是比較精確的，遺憾的是目前Saber自帶的二極管模型無(wú)法仿真反向恢復(fù)特性。

好了，今天就給大家分享到這里，由于作者水平有限，以上內(nèi)容若有不對(duì)之處，請(qǐng)大家批評(píng)指正!大家要是有比較好的素材或者不太理解的波形，可以私信我或發(fā)我郵箱，免費(fèi)幫大家分析分析，全當(dāng)技術(shù)交流了!

原文標(biāo)題：波形解讀1：IGBT門(mén)極電壓尖峰是怎么回事?

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審核編輯：湯梓紅