寄生电容对IGBT开关过程集电极电压变化率的影响
关于IGBT驱动的讨论
C N CN16 T V S 3 P V D N C P N V G G R41 16.9KSM*(0603) CN11 21 JST-2P(30021) DESAT_V R40 R36 10/F(1/2W) 3.3/F(1/2W) D10 MURS160T3G C N Q18 Q16 P C44 9 D44H11 V D D D 3 N 104Z/50VSM(0603) MURS160T3G G MURS160T3G R43 102KSM(0603) 47KSM*(1206) C 4 R34 C33 100OHMSM*(1206) 101JSM(0603) R39 C32 22OHMSM(1206) P 104Z/50VSM(0603) V C C C31C41 V 104Z/50VSM(0603)104Z/50VSM(0603) R35 0OHMSM*(0603) 0235146 11119111 -VCCVP T EE T2 EC A EE UC VV S VV OC E VV D VLED2+ HCPL-316J C 11 7 N DC NC U F\A\U\L\T\VLED1+GVin+Vin-VR\E\S\E\T\VLED1- 74523681 D N V G 5 + VCCPWM C37 104KSM(0603) C34 101JSM(0603) PWM3 RESET1FAULT
2 几种新的驱动电路
5、三段式驱动方式
本方法是通过调节门极电流来在减小dv/dt、di/dt的基础上尽量减 少损耗的增加。
开通过程： T4、R2和一个带有与对应 桥臂的FWD串联的次级线 圈的饱和电抗器。
关断过程： T5、R4、C1和CP1
2 几种新的驱动电路
寄生电容对IGBT开关过程集电极电压变化率的影响
寄生电容对IG BT 开关过程集电极电压变化率的影响Ξ胡满红,王亚琼(济源职业技术学院机电系,河南济源454650)摘 要:在绝大多数情况下,IG BT 的开关过程都非常迅速,其集电极电压波形的d v Πd t 非常大。
但是在实验中也会观测到一些相对比较缓慢的开关过程。
较慢的开关过程可能由多种因素引起。
通过实验和理论分析可以证明,其主要起因是IG BT 的寄生电容。
关键词:寄生电容;IG BT;电压变化率中图分类号:T M56 文献标志码:A 文章编号:1008Ο7613(2007)05Ο0045Ο030引言IG BT作为一种比较理想的高速功率半导体开关器件,由于其开通、关断的速度非常快,因此在开关过程中,IG BT 集电极电压的变化率(d v Πd t )也非常大。
图1所示是一台7.5kW IG BT 逆变器在驱动2kW 交流异步电动机时,IG BT 关断过程中集电极图1 IG BT 集电极电压d v Πd t 的变化(200V Πdiv ,1μs Πdiv )电压的测量结果。
在图1上部所示的关断过程中,IG BT 集电极电压的变化率高达3000V Πμs 。
可是,在同样的实验条件下也会捕捉到图1下部所示的电压波形,IG BT 集电极电压的变化率只有300V Πμs 。
另外,实验观测也表明,在开通过程中IG BT 集电极电压变化率的差别不大。
IG BT 开关过程中集电极电压变化率可能受多种因素的影响,本文从分析影响IG BT 开关特性的几个主要因素入手,结合对实验结果的分析,解释IG BT 寄生电容正是造成关断过程中电压变化率差异的主要原因。
1影响IG BT 开关过程集电极电压变化率的因素由于IG BT 的开关过程本身就非常复杂,许多非线性、相互耦合的复杂因素和大量的分布参量共同影响着包括IG BT 集电极电压变化率在内的IG BT 开关特性。
因此要准确、独立地分析各种因素对IG BT 开关过程集电极电压变化率的影响是比较困难的。
MOSFET寄生电容参数如何影响开关速度
MOSFET寄生电容参数如何影响开关速度我们应该都清楚，MOSFET 的栅极和漏源之间都是介质层，因此栅源和栅漏之间必然存在一个寄生电容CGS和CGD，沟道未形成时，漏源之间也有一个寄生电容CDS，所以考虑寄生电容时，MOSFET 的等效电路就成了图 2 的样子了。
但是，我们从MOSFET 的数据手册中一般看不到这三个参数，手册给出的参数一般是 CISS、COSS和CRSS （见图 1 ），图 1 某数据手册关于寄生电容的描述它们与CGS、CGD、CDS的关系如下：CISS=CGS+CGD(CDS 短路时)，COSS=CDS+CGD，CRSS=CGD图 2 考虑寄生电容时的MOSFET模型下面看一下这些寄生参数是如何影响开关速度的。
如图3，当驱动信号 Ui到来的一瞬间，由于MOSFET处于关断状态，此时CGS 和CGD上的电压分别为UGS=0， UGD=-VDD，CGS和 CGD上的电荷量分别为 QGS= 0，QGD= UGDCGD=VDDCGD。
接下来 Ui通过 RG 对CGS充电，UGS逐渐升高（这个过程中，随着UGS升高，也会伴随着CGD的放电，但是由于VDD远大于UGS，CGD不会导致栅电流的明显增加）。
当UGS达到阈值电压时，开始有电流流过MOSFET（事实上，当UGS还没有达到阈值电压时，已经有微小的电流流过MOSFET 了），MOSFET 上承受的压降由原来的VDD开始减小，CGD上的电压也会随之减小，那么，也就伴随着的 CGD 放电。
由于 CGD 上的电荷量 QGD= VDDCGD较大，所以放电的时间较长。
在放电的这段时间内，栅极电流基本上用于 CGD 的放电，因此栅源电压的增加变得缓慢。
放电完成后，Ui通过RG继续对CGS和CGD 充电（因为此时MOSFET已经充分导通，相当于CGS和CGD并联），直到栅源电压达到Ui，开启过程至此完成。
图4 的曲线很好地描绘了导通过程中UGS随时间变化的曲线。
功率开关管的寄生参数及对开关过程的影响
N+ P
CG
D
++ NN P
C G S -d e p
CDS
其中CGSM表示多晶硅栅与源 极金属层之间形成的介质电 容、CGSN+表示源区与多晶硅 栅交叠区域形成的介质电容 N− － N 、CGSP表示P沟道与多晶硅栅 形成的电容。 N+ N+ MOSFET的栅漏电容（CGD) D 由CGD-oxid、CGD-dep串联组成 MOSFET的漏源电容（CDS)表示 CGD-oxid、表示N-漂移区与 P体区与N-外延层形成的耗尽 多晶硅栅形成的介质电容 层电容 ，CGD-dep表示N-漂移区表面 反型时的P区与N-漂移区 形成的耗尽电容。
UFP
2V 0 tFR
t
二极管的寄生特性的影响
1、增加损耗： 2、感应过压尖峰： �反向恢复引起过压：过大的反向电流有可能使其产生类 似二次击穿的雪崩现象，或是缩小功率开关管的安全工 作区。功率管开通的时刻，实际上是体二极管关断时刻 ，此时二极管损坏风险是最大的！ �正向恢复电压引起过压：在功率开关管关断时，线路的 寄生电感会感应出一个电压尖峰，这个电压尖峰叠加于 续流二极管的正向恢复电压之上，二者之和可能导致过 电压。 3、产生电磁干扰：快速的di/dt、dv/dt将产生EMI问题 4、产生大的dv/dt使开关管误导通
（2）MOS电容
MOS电容就是半导体上覆盖绝缘层（氧化层）和 金属层构成的电容器。
MOSFET的栅源电容（CGS) 由CGSM、CGSN+、CGSP(由 CGS_oxid、CGS_dep串联组成） 并联组成，既：
S C GSN+ C GSM C G S -OXID
G C G D -OXID
S
寄生电感在IGBT 开关损耗测量中的影响
寄生电感在IGBT开关损耗测量中的影响Effects of Parasitic Inductance over IGBT Switching Loss Measurement浙江大学沈燕群，邓焰，何湘宁 E-mail: dengyan@摘要：MOS门极功率开关元件的开关损耗受工作电压、电流、温度以及门极驱动电阻等因素影响，在测量时主要以这些物理量为参变量。
但测量的非理想因素对测量结果影响是值得注意的，比如常见的管脚引线电感。
本文在理论分析和实验数据基础上阐述了各寄生电感对IGBT开关损耗测量结果的影响。
Abstract: The switching losses of MOS-Gated power components are decided mostly by operation voltage, current, temperature and driving, which are usually adopted as the loss measurement variables. In addition, measurement is remarkably influenced by non-ideal test conditions such as lead inductance. How the different parasitic inductances effecting over the IGBT transient losses are described based on theoretic analysis and experimental results.关键词：开关损耗测量，寄生电感，IGBTKeywords: Switching loss measurement, Parasitic inductance, IGBT1简介[1]功率半导体开关元件的开关损耗特性研究对功率变流器设计的意义是不言而喻的，在有紧凑性要求或散热条件特殊场合或可靠性要求较高场合，都需要严格按器件损耗特性进行大余量热设计[2-3]。
电感的寄生电容
电感的寄生电容电感是电路中常见的元件之一，它具有储存电能的能力，可以将电能转化为磁能，同时也可以将磁能转化为电能。
在电路中，电感常常与电容、电阻等元件一起使用，以实现各种电路功能。
然而，电感中存在着一种被称为“寄生电容”的现象，它会对电路的性能产生一定的影响。
寄生电容是指电感元件内部存在的一种电容，它是由于电感线圈的匝间绕组和绕组与磁芯之间的绝缘层所形成的。
在电路中，电感元件的电容值通常很小，但是在高频电路中，寄生电容的影响就会变得非常显著。
这是因为在高频电路中，电感元件的电容值会随着频率的增加而增加，从而导致电路的谐振频率发生变化。
寄生电容对电路的影响主要表现在以下几个方面：1. 电路的谐振频率会发生变化。
在高频电路中，电感元件的电容值会随着频率的增加而增加，从而导致电路的谐振频率发生变化。
这会影响电路的稳定性和性能。
2. 电路的阻抗会发生变化。
寄生电容会对电路的阻抗产生影响，从而影响电路的传输特性。
在高频电路中，电感元件的电容值会随着频率的增加而增加，从而导致电路的阻抗发生变化。
3. 电路的噪声会增加。
寄生电容会对电路的噪声产生影响，从而影响电路的信噪比。
在高频电路中，电感元件的电容值会随着频率的增加而增加，从而导致电路的噪声增加。
为了减小寄生电容对电路的影响，可以采取以下措施：1. 选择合适的电感元件。
在设计电路时，应选择合适的电感元件，以减小寄生电容的影响。
2. 采用合适的绕制方式。
在制造电感元件时，应采用合适的绕制方式，以减小寄生电容的影响。
3. 采用合适的绝缘材料。
在制造电感元件时，应采用合适的绝缘材料，以减小寄生电容的影响。
寄生电容是电感元件中不可避免的现象，它会对电路的性能产生一定的影响。
在设计电路时，应注意减小寄生电容的影响，以提高电路的性能和稳定性。
IGBT基本参数详解
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。
凸台寄生电感对IGBT并联芯片电流分布特性的影响
凸台寄生电感对 IGBT并联芯片电流分布特性的影响摘要：高压大功率IGBT，因为内部凸台存在自电感和凸台间的互电感，存在较多凸台数量时，会导致开关瞬态电流不符现象，缩小了器件安全工作区。
本文先对IGBT开关瞬态过程进行论述，然后对压接型IGBT器件的凸台寄生电感进行分析，最后就凸台几何布局对并联芯片均流影响进行探讨，可供相关人员参考。
关键词：凸台寄生电感；IGBT；电流分布引言高压大功率IGBT为电力电子技术的核心器件，在柔性直流输电中发挥着重要作用。
一般情况下，一个IGBT芯片额定电流在50A左右，小功率压接IGBT元件凸台数量有限，例如，西玛公司的2500V/250A的IGBT内只设置有2个芯片和2个续流二极管芯片，即便是电流为600A的器件，其内部的芯片数量也为12个，相应的凸台数量也达到12个。
随着电流等级的不断变大，单个IGBT器件电流等级也提升到3000A或更高，IGBT芯片的凸台数量不少于60个，器件内凸台量也上升到100A。
凸台内存在自电感，两个凸台间还存在着互电感，凸台数量多时会导致开关瞬态电流不一致现象，器件安全工作区变得更窄。
这就需要对在并联IGBT驱动回路参数一致情况下，凸台布局不对称对瞬态电流分布特性的影响进行分析和研究。
1 IGBT开关瞬态过程分析IGBT是一种电压驱动器件，比VDMOSFET多设置1个P+层，可通过正向注入载流子来进行电导调制，从而减小通态压降。
IGBT在栅极提供正向电压时，可形成沟道来向PNP提供基极电流，IGBT即为导通状态；关断时通过向栅极施加反向电压来使沟道消除，就可以将IGBT关断，导通过程有5个不同阶段，分别是：1）开通延迟。
IGBT器在驱动回路中为电容充电，栅极电压会不断变大，达到开通阈值后会建立起反型层通道，器件导通时集电极电流变大；2）电流上升。
MOSFET 沟道开始导通，电流会快速上升，栅极电压在短时间内以线性方式增长。
集电极电流IC低于负载电流，可通过开口向上的二次函数进行拟合，集射极电压会随着电流增加而线性变小；3）集射极电压快速下降。
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１影响 ＩＢ Ｇ Ｔ开 关过 程 集 电极 电 压变 化 率 的 因素
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间一般 都 非 常 短 ， 会 产 生 那 样 “ 慢 ” 变 化 过 不 缓 的
程。
② 负载 （ 括 输 电 线 路 ） 分 布 参 数 。 由 于 Ｉ． 包 的 Ｇ
也 会 观 测 到 一 些 相 对 比较 缓 慢 的 开 关 过 程 。较 慢 的 开 关 过 程 可 能 由 多 种 因 素 引起 。通 过 实 验 和 理 论 分 析 可 以 证 明 ， 主要起 因是 ＩＢ 其 Ｇ Ｔ的 寄 生 电 容 。 关 键词 ： 生 电容 ； Ｂ ； 寄 Ｉ Ｔ 电文献标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０８７ １ （０ ７０ —０ ５ ３ １０－６ ３２ ０ ）５０４ — ０
寄 生 电容对 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ开 关过程 集 电极 电压 变化 率 的影 响
胡 满 红 ， 亚 琼 王
（ 济源职业 技术学 院 机 电系 ， 南 济源 ４４ ５ ） 河 ５ ６０
摘
要 ： 绝大多数 情况下 ， Ｂ 在 Ｉ Ｔ的开 关过程都 非常迅速 ， Ｇ 其集 电极 电压波 形 的 ｄ ｄ 非常 大。但 是在实 验 中 ，ｔ
异 的 主要原 因 。
ＩＢ Ｇ Ｔ作 为 一 种 比 较 理 想 的 高 速 功 率 半 导 体 开
关器 件 ， 由于其 开 通 、 断 的 速 度 非 常 快 ， 此 在 开 关 因
关 过 程 中 ，Ｇ Ｔ集 电极 电压 的 变化 率 （ ｖ ｄ 也 非 ＩＢ ｄ ／ｔ）
常大 。 图 １ 示是 一 台 ７ ５ｋ Ｉ Ｂ 所 ． Ｗ Ｔ逆 变 器 在 驱 动 Ｇ ２ｋ 交 流 异 步 电 动 机 时 ，Ｇ Ｔ关 断过 程 中集 电 极 Ｗ ＩＢ
收 稿 日期 ：０７０ －９ ２ ０－３０
作 者简介 ： 满红（９ ８）男 ， 胡 １６ 一 ， 内蒙古 自治 区卓 资县人 ， 济源 职业技 术学 院机 电系主 任 ， 士研 究生 ， 事 自动化 技术 方 硕 从
面 的教学和研 究工作 。
４５
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性 的 因素 中 ， 以下 几 个 最 具 代 表 性 。但 是 通 过 简 单 的分析 和 实 验就 可 以发 现 它 们 并 非 造 成 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ开 关 过 程 集 电极 电压 变化 率 变 化 的根 本 原 因 。 ①续 流 二极 管 的正 向和反 向恢 复 特性 ¨ 。续 流
（０ ，ｉ。 ｔ／ｉ） ２ ０Ｖｄｖ Ｉ ｔ ｄ ｓ ｖ
电 压 的测 量 结 果 。 在 图 １ 部所 示 的关 断 过 程 中 ，Ｇ Ｔ集 电极 电 上 ＩＢ
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件 下也 会 捕 捉 到 图 １ 部 所 示 的 电压 波 形 ， Ｂ 下 Ｉ Ｔ集 Ｇ
维普资讯
第 ２ 卷 第 ５期 １
２０ ０ ７年 ９月
新 乡师 范高 等 专科 学 校学 报
Ｊ ＲＮ Ｉ ＸＩ Ｇ Ｔ ＡＣ ＲＳ Ｃ ＯＵ ＡＬ ＯＦ Ｘ Ｎ ＡＮ Ｅ ＨＥ ＯＨＥＧＥ
Ｖｏ ． １ ２１， Ｎｏ． ５
Ｓ ＥＰ， ０ ７ ２０
新 乡师范高等专科 学校学报
第 ２ 卷 １
Ｂ Ｔ开关 的速 度 非 常 快 ， 载 特 性 在 ＩＢ 负 Ｇ Ｔ开 关 动 作 期 间 主要 取 决 于 负载 的分 布 参数 。受开 关过 程 中快
０引 言
别 不 大 。Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ开 关 过 程 中 集 电极 电 压 变 化 率 可 能 受 多种 因素 的影 响 ， 文 从 分析 影 响 Ｉ Ｂ 本 Ｇ Ｔ开 关 特性 的几 个 主要 因素人 手 ， 合 对实 验 结 果 的分 析 ， 释 结 解 ＩＢ Ｇ Ｔ寄 生 电 容正 是 造 成 关 断过 程 中 电 压 变 化 率 差
关 特性 。因此 要 准确 、 独立 地 分 析 各 种 因素 对 Ｉ Ｂ ＧＴ
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开 关过 程集 电极 电压 变 化 率 的 影 响 是 比较 困难 的 。
为 了找 出引起 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ开 关 过 程 集 电极 电压 变 化 率 差 异 的 主要原 因 ， 好 的方 法 是 通 过 定 性 分 析 并 配 合 较
二 极 管 的正 向和 反 向恢 复 特性 对 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ开 关 过 程 的 影 响 主要 表 现在 产 生反 向恢 复 电流 、 生过 电压 、 产 引 起 集 电极 电 压 的震 荡 等 。但 是 ， 极 管 的 恢 复 时 ］ 二
图 Ｉ ＩＢ Ｇ Ｔ集 电 极 电 压 ｄ口／ ｄｔ的变 化