IGBT工作時(shí)序及門極驅(qū)動(dòng)計(jì)算方法

作者：Littelfuse客戶經(jīng)理Rambo Liu

本篇文章簡(jiǎn)單介紹IGBT工作時(shí)序及門極驅(qū)動(dòng)計(jì)算方法，引入大電流驅(qū)動(dòng)IC以及門極保護(hù)TVS，同時(shí)羅列了不同品牌碳化硅MOSFET所耐受驅(qū)動(dòng)電壓，借此介紹非對(duì)稱TVS新產(chǎn)品的實(shí)用性，歡迎感興趣人士交流、溝通。

IGBT工作時(shí)序

如下為典型IGBT驅(qū)動(dòng)時(shí)序展開波形：

T0-階段：門級(jí)電流Ig給Cge充電，此時(shí)Vge電壓小于閾值電壓Vgeth，因此IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，Vce電壓維持在Vcc。

T1階段：當(dāng)Vge電壓超過閾值Vgeth時(shí)，IGBT進(jìn)入開啟狀態(tài)，工作在線性區(qū)，Ic電流開始上升到負(fù)載電流Icload，而實(shí)際工作時(shí)，由于續(xù)流二極管的存在，其反向恢復(fù)電流會(huì)疊加到IGBT上，該電流上升會(huì)超過負(fù)載電流，在Vge達(dá)到米勒平臺(tái)電壓前，Vce兩端電壓為Vcc，有源鉗位就是利用IGBT工作在線性區(qū)的原理來吸收回路當(dāng)中多余的能量，這個(gè)在TVS有源鉗位保護(hù)里面有詳細(xì)的介紹。

T2階段：Vge維持在米勒平臺(tái)電壓Vgepl，當(dāng)續(xù)流二極管電流下降為零時(shí)，Vce開始急劇下降。

T3階段：Vce下降到飽和壓降Vcesat，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電流給Vgc電容充電，Vge維持在米勒平臺(tái)。

T4階段：IGBT徹底導(dǎo)通，此時(shí)門級(jí)電流Ig給Cge充電直到設(shè)定的驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)電流下降為零，側(cè)面反映了IGBT屬于電壓驅(qū)動(dòng)型器件。

IGBT驅(qū)動(dòng)算法：

以IGBT為例，規(guī)格書通常會(huì)給出門極電荷Qg_int，門極輸入電容Cies，規(guī)格驅(qū)動(dòng)楷體電壓Vgon_spec以及關(guān)斷電壓Vgoff_spec，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電阻Rg_int。以及通過選型設(shè)定外部電阻Rg_ext，實(shí)際工作驅(qū)動(dòng)電壓Vgon_act、關(guān)斷電壓Vgoff_act與開關(guān)頻率fsw。

從而可以算出峰值驅(qū)動(dòng)電流Igpk:

通過初始Qg_int、門極輸入電容Cies以及初始門極驅(qū)動(dòng)電壓可折算出門極電容系數(shù)Kc:

通過門極電容系數(shù)可以反推回去實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓下所需的門極電荷量Qg_act:

此時(shí)的平均工作電流Ig_av為電荷量與開關(guān)頻率fsw乘積:

驅(qū)動(dòng)所需能量Eg_act為：

根據(jù)驅(qū)動(dòng)能量與開關(guān)頻率可以得出所需的驅(qū)動(dòng)電路功率Pg_act:

通過簡(jiǎn)單的算式可以實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路所需的驅(qū)動(dòng)功率與峰值電流，下圖為L(zhǎng)ittelfuse原IXYS低邊驅(qū)動(dòng)IC，其中IXD_600系列峰值電流可以達(dá)到30A，可以用于大功率模塊以及多分立器件并聯(lián)的使用。

驅(qū)動(dòng)線路過壓保護(hù)

由于線路串?dāng)_、感性與容性負(fù)載的存在，使得功率器件驅(qū)動(dòng)與功率回路都會(huì)受到過壓導(dǎo)致的損壞情況，主回路當(dāng)中可以通過外接緩沖吸收回路，也可以通過門極串聯(lián)TVS來做有源鉗位的方式，門極通過并聯(lián)TVS的方式可以起到尖峰電壓吸收，參考電路圖如下。

門極保護(hù)通常會(huì)通過并聯(lián)TVS或者Zener管的方式來實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，TVS最大優(yōu)勢(shì)為其能承受更大的浪涌沖擊能力。TVS工作機(jī)理如下，為鉗位型器件，在浪涌過來后達(dá)到其擊穿電壓，二極管進(jìn)入雪崩區(qū)域，此時(shí)吸收浪涌電流急劇增加，而電壓能鉗制在穩(wěn)定范圍，從而起到良好的過壓保護(hù)效果。

Littelfuse工業(yè)級(jí)TVS產(chǎn)品系列

從最小封裝SOD-123 200W到SMC DO-214AB封裝8kW，以及雷擊浪涌吸收到10kA的LTKAK系列。

汽車級(jí)產(chǎn)品匯總

其中最小封裝SOD-123 400W以及SMC封裝5kW已經(jīng)量產(chǎn)，SLD5/6/8 DO-263封裝兼容DO-218焊盤，最大功率15kw插件產(chǎn)品。

Littelfuse開發(fā)出了小封裝SOD-123 400W產(chǎn)品，負(fù)壓為-5V，正壓19V，同時(shí)可以根據(jù)客戶需求調(diào)整正向電壓，該產(chǎn)品為IGBT與碳化硅MOSFET非對(duì)稱提供保護(hù)，單顆TVS即可實(shí)現(xiàn)正負(fù)電壓的保護(hù)，節(jié)省占板空間。

非對(duì)稱TVS為針對(duì)市場(chǎng)提出的新產(chǎn)品，歡迎有興趣人士溝通、交流以及提供意見。

審核編輯：湯梓紅