IGBT驱动器驱动能力计算方法

IGBT驱动电流及驱动功率的计算IGBT驱动电路的设计包括上下桥绝缘水平的选择、驱动电压水平的确定、驱动芯片驱动功率的确定、短路保护电路等等。

今天我们重点讨论一下驱动电流以及功率的确定，也就是说如何确定一个驱动芯片电流能力是不是可以驱动一个特定型号的IGBT，如果不能驱动该如何增强驱动输出能力。

01、驱动芯片峰值电流的计算在选择IGBT驱动芯片时，很重要的一步就是计算IGBT所需要的最大驱动电流，在不考虑门极增加Cge电容的条件下，可以把IGBT驱动环节简化为一个RLC电路，如下图阴影部分所示。

求解这个电路可以得到峰值电路的关系式如下：I peak：驱动环节可以输出的最大电流ΔU ge：门极电源最大值减去最小值R G,ext：外部门极电阻值，R G,int为器件内部的电阻值从上面公式可以看出最大驱动电流取决于门极电压水平，以及门极电阻值，一旦这两个参数确定后，所需要的最大驱动电流基本确定。

当然，在一些设计中会选用不同的开通关断电阻，那么就需要分别计算开通关断需要的电流。

依据上述计算的开通关断电流值可以初步选择芯片的驱动电流，芯片数据手册给出的峰值不能小于计算得到的电流值，并且适当考虑工程余量。

02、推挽电路放大电路增加驱动电流如果驱动芯片的输出电流不能驱动特定IGBT的话，比较简单的方法是采用推挽电路进一步增强驱动芯片的峰值电流输出能力。

采用三极管放大是一种常用的方式，其计算步骤如下：（1）根据选择的驱动电压水平以及门极电阻计算得到需求的最大峰值电流I peak （2）选择合适耐压的PNP/NPN三极管组成推挽电路（3）查所选择的三极管数据手册中的电流传输系数h FE，计算得到三极管的基极电流（4）计算驱动芯片输出极的输出电阻上述步骤给出了BJT作为推挽放大电路时一般的步骤，需要着重考虑的是BJT的耐压以及基级电阻的匹配。

由于使用BJT做推挽放大设计设计比较简单，因此在设计中得到广泛的应用。

在大功率应用场合比较常用的BJT三极管型号有MJD44/45H11(80V)等。

IGBT驱动电路参数计算详解电阻大功率IGBT 模块在使用中驱动器至关重要，本文介绍在特定应用条件下IGBT门极驱动性能参数的计算方法，经验公式及有关CONCEPT 驱动板的选型标准，得出的一些参数值可以作为选择一款合适IGBT驱动器的基本依据。

1 门极驱动的概念IGBT存在门极-发射极电容Cge，门极-集电极电容Cgc，我们将IGBT的门极等效电容定义为Cg，门极驱动回路的等效电路如下图所示：其本质是：一个脉冲电压源向RC电路进行充放电，对于这个电压源，有2个物理量我们需要关心，1.它的功率；2.它的峰值电流。

2 驱动功率的计算驱动器是用来控制功率器件的导通和关断。

为了实现此功能，驱动器对功率器件的门极进行充电以达到门极开通电压VGE_on，或者是对门极进行放电至门极关断电压VGE_off。

门极电压的两种电平间的转换过程中，在驱动器门极驱动电阻及功率器件组成的回路中产生一定的损耗。

这个参数我们称为驱动功率PDRV。

驱动器必须根据其所驱动的功率器件所需的驱动功率来选择。

驱动功率可以从门极电荷量QGate，开关频率fIN，以及驱动器实际输出电压摆幅ΔVGate 计算得出：P DRV = Q Gate * f IN * ΔV Gate (Eq. 1)备注：P DRV: 驱动器每通道输出功率；f IN: IGBT开关频率；Q Gate :IGBT门极电荷，可从规格书第一页查出，不同IGBT该数值不同；ΔV Gate:门极驱动电压摆幅，等于驱动正压+U 和负压–U 之间差值。

如果门极回路放置了一个电容CGE (辅助门极电容)，那么驱动器也需要对该电容进行充放电，如图1 所示：图1.带外接阻容的门级驱动只要CGE 在一个周期内被完全的充放电，那么RGE 值并不影响所需驱动功率。

驱动功率可以从以下公式得出：P DRV = Q GATE * f IN *ΔV GATE + C GE * f IN*ΔV GATE2(Eq. 2)这个功率是每个IGBT 驱动时必须的，但门极的充放电是没有能量损失的，这个功率实际上损失在驱动电阻及外部电路中。

IGBT驱动电路参数计算详解大功率IGBT 模块在使用中驱动器至关重要，本文介绍在特定应用条件下IGBT门极驱动性能参数的计算方法，经验公式及有关CONCEPT 驱动板的选型标准，得出的一些参数值可以作为选择一款合适IGBT驱动器的基本依据。

1 门极驱动的概念IGBT存在门极-发射极电容Cge，门极-集电极电容Cgc，我们将IGBT的门极等效电容定义为Cg，门极驱动回路的等效电路如下图所示：其本质是：一个脉冲电压源向RC电路进行充放电，对于这个电压源，有2个物理量我们需要关心，1.它的功率；2.它的峰值电流。

2 驱动功率的计算驱动器是用来控制功率器件的导通和关断。

为了实现此功能，驱动器对功率器件的门极进行充电以达到门极开通电压VGE_on，或者是对门极进行放电至门极关断电压VGE_off。

门极电压的两种电平间的转换过程中，在驱动器门极驱动电阻及功率器件组成的回路中产生一定的损耗。

这个参数我们称为驱动功率PDRV。

驱动器必须根据其所驱动的功率器件所需的驱动功率来选择。

驱动功率可以从门极电荷量QGate，开关频率fIN，以及驱动器实际输出电压摆幅ΔVGate 计算得出：P DRV = Q Gate * f IN * ΔV Gate (Eq. 1)备注：P DRV: 驱动器每通道输出功率；f IN: IGBT开关频率；Q Gate :IGBT门极电荷，可从规格书第一页查出，不同IGBT该数值不同；ΔV Gate:门极驱动电压摆幅，等于驱动正压+U 和负压–U 之间差值。

如果门极回路放置了一个电容CGE (辅助门极电容)，那么驱动器也需要对该电容进行充放电，如图1 所示：图1.带外接阻容的门级驱动只要CGE 在一个周期内被完全的充放电，那么RGE 值并不影响所需驱动功率。

驱动功率可以从以下公式得出：P DRV = Q GATE * f IN *ΔV GATE + C GE * f IN*ΔV GATE2(Eq. 2)这个功率是每个IGBT 驱动时必须的，但门极的充放电是没有能量损失的，这个功率实际上损失在驱动电阻及外部电路中。

1IGBT 的驱动特性及功率计算陈暹辉深圳裕能达电气有限公司摘要：根据目前市场的使用情况，介绍IGBT 的驱动特性及不同功率计算。

关键词：开通损耗 关断损耗 栅极电阻 导通压降 短路时间1 IGBT 的驱动特性1.1 驱动特性的主要影响因素IGBT 的驱动条件与IGBT 的特性密切相关。

设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和d v /d t 引起的误触发等问题。

栅极电压 U ge 增加（应注意U ge 过高而损坏IGBT ），则通态电压下降（Eon 也下降），如图1所示(此处以200 A IGBT 为例)。

由图1中可看出，若U ge 固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高，如图1 a ，电流容量将随结温升高而减少（NPT 工艺正温度特性的体现）如图1b 所示。

（a ）Uge 与Uce 和Ic 的关系 （b ）Uge 与Ic 和Tvj 的关系图1 栅极电压U ge 与U ce 和T vj 的关系栅极电压 U ge 直接影响 IGBT 的可靠运行，栅极电压增高时有利于减小IGBT 的开通损耗和导通损耗，但同时将使IGBT 能承受的短路时间变短（10 μs 以下），使续流二极管反向恢复过电压增大，所以务必控制好栅极电压的变化范围，一般V ge 可选择在-10～+15 V 之间，关断电压-10 V ,开通电压+15 V 。

开关时U ge 与I g 的关系曲线见图2 a 和图2 b 所示。

栅极电阻R g 增加，将使IGBT 的开通与关断时间增加，使开通与关断能耗均增加,但同时，可以使续流二极管的反恢复过电压减小，同时减少EMI 的影响。

而门极电阻减少，则又使d i /d t 增大，可能引发IGBT 误导通，但是，当R g 减少时，可(a)开通时 (b)关断时 图2 开关时U ge 与 I g 的关系曲线以使得IGBT 关断时由d u /d t 所带来误触发的可能性减小，同时也可以提高IGBT 承受短路能量的能力,所以R g 大小各有好坏，客户可根据自己设计特点选择。

IGBT 的驱动特性及功率计算1 IGBT 的驱动特性1.1 驱动特性的主要影响因素IGBT的驱动条件与IGBT的特性密切相关。

设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和dv/dt 引起的误触发等问题。

栅极电压U ge增加（应注意U ge过高而损坏IGBT），则通态电压下降（E on也下降），如图1所示(此处以200A IGBT为例)。

由图1中可看出，若U ge固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高，如图1a，电流容量将随结温升高而减少（NPT工艺正温度特性的体现）如图1b所示。

（a）Uge与Uce和Ic的关系（b）Uge与Ic和Tvj的关系图1 栅极电压U ge与U ce和T vj的关系栅极电压U ge直接影响IGBT 的可靠运行，栅极电压增高时有利于减小IGBT的开通损耗和导通损耗，但同时将使IGBT能承受的短路时间变短（10μs以下），使续流二极管反向恢复过电压增大，所以务必控制好栅极电压的变化范围，一般U ge可选择在-10～+15 V之间，关断电压-10 V,开通电压+15 V。

开关时U ge与I g的关系曲线见图2 a和图2 b所示。

(a)开通时 (b)关断时图2 开关时U ge与I c的关系曲线栅极电阻R g增加，将使IGBT的开通与关断时间增加，使开通与关断能耗均增加,但同时，可以使续流二极管的反恢复过电压减小，同时减少EMI的影响。

而门极电阻减少，则又使di/dt增大，可能引发IGBT误导通，但是，当R g减少时，可以使得IGBT关断时由du/dt 所带来误触发的可能性减小，同时也可以提高IGBT承受短路能量的能力,所以R g大小各有好坏，客户可根据自己设计特点选择。

图3为R g大小对开关特性的影响，损耗关系请参照图4所示。

图3 R g大小对开关特性的影响（di/dt 大小不同）图4 门极电阻R g与E on/E off由上述可得：IGBT 的特性随门极驱动条件的变化而变化，就象双极型晶体管的开关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

其中：Cies = C GE + C GC：输入电容（输出短路）Coss = C GC + C EC：输出电容（输入短路）Cres = C GC：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。

IGBT驱动电路的选择及驱动电阻的选择IGBT驱动电路的选择绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在今天的电力电子领域中已经得到广泛的应用，在实际使用中除IGBT自身外，IGBT 驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。

驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。

驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致IGBT 和驱动器损坏。

以下总结了一些关于IGBT驱动器输出性能的计算方法以供选型时参考。

IGBT 的开关特性主要取决于IGBT的门极电荷及内部和外部的电阻。

图1是IGBT 门极电容分布示意图，其中CGE 是栅极-发射极电容、CCE 是集电极-发射极电容、CGC 是栅极-集电极电容或称米勒电容（Miller Capacitor）。

门极输入电容Cies 由CGE 和CGC 来表示，它是计算IGBT 驱动器电路所需输出功率的关键参数。

该电容几乎不受温度影响，但与IGBT 集电极-发射极电压VCE 的电压有密切联系。

在IGBT数据手册中给出的电容Cies 的值，在实际电路应用中不是一个特别有用的参数，因为它是通过电桥测得的，在测量电路中，加在集电极上C 的电压一般只有25V(有些厂家为10V)，在这种测量条件下，所测得的结电容要比VCE=600V 时要大一些(如图2)。

由于门极的测量电压太低(VGE=0V )而不是门极的门槛电压，在实际开关中存在的米勒效应（Miller 效应）在测量中也没有被包括在内，在实际使用中的门极电容Cin 值要比IGBT 数据手册中给出的电容Cies 值大很多。

因此，在IGBT数据手册中给出的电容Cies值在实际应用中仅仅只能作为一个参考值使用。

确定IGBT 的门极电荷对于设计一个驱动器来说，最重要的参数是门极电荷QG(门极电压差时的IGBT 门极总电荷)，如果在IGBT 数据手册中能够找到这个参数，那么我们就可以运用公式计算出：图一门极驱动能量E = QG ? UGE = QG ? [ VG(on) - VG(off) ] 门极驱动功率PG = E ? fSW = QG ? [ VG(on) - VG(off) ] ? fSW 驱动器总功率P = PG + PS（驱动器的功耗）平均输出电流IoutAV = PG / ΔUGE = QG ? fSW 最高开关频率fSW max. = IoutAV(mA) / QG(μC) 峰值电流IG MAX =ΔUGE / RG min = [ VG(on) - VG(off) ] / RG min 其中的RG min = RG extern + RG intern fsw max. : 最高开关频率IoutAV : 单路的平均电流QG : 门极电压差时的IGBT门极总电荷RG extern : IGBT 外部的门极电阻RG intern : IGBT 芯片内部的门极电阻但是实际上在很多情况下，数据手册中这个门极电荷参数没有给出，门极电压在上升过程中的充电过程也没有描述。

第一部分IGBT模块静态参数1，：集射极阻断电压在可使用的结温范围内，栅极和发射极短路状况下,集射极最高电压.手册里一般为25℃下的数据，随着结温的降低,会逐渐降低。

由于模块内外部的杂散电感,IGBT在关断时最容易超过限值。

2，：最大允许功耗在25℃时,IGBT开关的最大允许功率损耗，即通过结到壳的热阻所允许的最大耗散功率。

其中，为结温，为环境温度。

二极管的最大功耗可以用同样的公式获得.在这里，顺便解释下这几个热阻，结到壳的热阻抗，乘以发热量获得结与壳的温差；芯片热源到周围空气的总热阻抗,乘以发热量获得器件温升;芯片结与PCB间的热阻抗,乘以单板散热量获得与单板的温差。

3，集电极直流电流在可以使用的结温范围流集射极的最大直流电流.根据最大耗散功率的定义,可以由最大耗散功率算出该值。

所以给出一个额定电流，必须给出对应的结和外壳的温度。

）4，可重复的集电极峰值电流规定的脉冲条件下，可重复的集电极峰值电流。

5，RBSOA,反偏安全工作区IGBT关断时的安全工作条件。

如果工作期间的最大结温不被超过,IGBT在规定的阻断电压下可以驱使两倍的额定电流。

6，短路电流短路时间不超过10us。

请注意，在双脉冲测试中，上管GE之间如果没有短路或负偏压，就很容易引起下管开通时，上管误导通，从而导致短路。

7，集射极导通饱和电压在额定电流条件下给出，Infineon的IGBT都具有正温度效应，适宜于并联。

随集电极电流增加而增加，随着增加而减小。

可用于计算导通损耗.根据IGBT的传输特性，计算时，切线的点尽量靠近工作点。

对于SPWM方式，导通损耗由下式获得,M为调制因数；为输出峰值电流；为功率因数.第二部分IGBT模块动态参数1,模块内部栅极电阻为了实现模块内部芯片的均流，模块内部集成了栅极电阻，该电阻值常被当成总的驱动电阻的一部分计算IGBT驱动器的峰值电流能力。

2,外部栅极电阻数据手册中往往给出的是最小推荐值，可以通过以下电路实现不同的和。

IGBT基本参数详解解读第一部分 IGBT模块静态参数1,,集射极阻断电压在可使用的结温范围内,栅极和发射极短路状况下,集射极最高电压。

手册里一般为25?下的数据,随着结温的降低,会逐渐降低。

由于模块内外部的杂散电感,IGBT在关断时最容易超过限值。

2,,最大允许功耗在25?时,IGBT开关的最大允许功率损耗,即通过结到壳的热阻所允许的最大耗散功率。

其中,为结温,为环境温度。

二极管的最大功耗可以用同样的公式获得。

在这里,顺便解释下这几个热阻,结到壳的热阻抗,乘以发热量获得结与壳的温差,芯片热源到周围空气的总热阻抗,乘以发热量获得器件温升,芯片结与PCB间的热阻抗,乘以单板散热量获得与单板的温差。

3,集电极直流电流在可以使用的结温范围流集射极的最大直流电流。

根据最大耗散功率的定义,可以由最大耗散功率算出该值。

所以给出一个额定电流,必须给出对应的结和外壳的温度。

)4,可重复的集电极峰值电流规定的脉冲条件下,可重复的集电极峰值电流。

5,RBSOA,反偏安全工作区IGBT关断时的安全工作条件。

如果工作期间的最大结温不被超过,IGBT在规定的阻断电压下可以驱使两倍的额定电流。

6, 短路电流短路时间不超过10us。

请注意,在双脉冲测试中,上管GE之间如果没有短路或负偏压,就很容易引起下管开通时,上管误导通,从而导致短路。

7, 集射极导通饱和电压在额定电流条件下给出,Infineon的IGBT都具有正温度效应,适宜于并联。

随集电极电流增加而增加,随着增加而减小。

可用于计算导通损耗。

根据IGBT的传输特性,计算时,切线的点尽量靠近工作点。

对于SPWM方式,导通损耗由下式获得,M为调制因数,为输出峰值电流,为功率因数。

第二部分 IGBT模块动态参数1,模块内部栅极电阻为了实现模块内部芯片的均流,模块内部集成了栅极电阻,该电阻值常被当成总的驱动电阻的一部分计算IGBT驱动器的峰值电流能力。

2,外部栅极电阻数据手册中往往给出的是最小推荐值,可以通过以下电路实现不同的和。