IGBT门极驱动设计规范
IGBT门极驱动设计规范要求
大功率IGBT驱动
采用隔离变压器的IGBT驱动 采用Vce饱和压降进行过流检测和管理的IGBT驱动系统，包括软关断动作， 以及分别采用不同的门极电阻进行开通和关断。
Norbert Pluschke1001
5
如何安全地使用IGBT 如何安全地使用
哪个门极驱动电路会适用于模块SKM 400 GB 126 D ?
GND
Norbert Pluschke1001
22
HCPL-316J – 采用光藕的 采用光藕的IGBT驱动器 驱动器
隔离
Norbert Pluschke1001
23
低成本IGBT驱动电路 驱动电路 低成本
Norbert Pluschke1001
24
TD350 – 采用外部光藕的 采用外部光藕的IGBT驱动电路 驱动电路
Norbert Pluschke1001
10
计算峰值门极电流
计算在最小的门极电阻情况下的峰值驱动电流 E.g. RG.on = RG.off = 2Ω Ig.puls ≈ ∆V / RG + Rint = 23V / (2Ω + 2Ω) = 5.75 A
Chip resistance (data sheet)
26
无变压器的由贴片元件组成的IGBT驱动电路 驱动电路(page 24) 无变压器的由贴片元件组成的 驱动电路
Vce 压降检测的二极管在主功率板上 变压器和电源都在主板上 一个逆变器需要6个驱动电路
Norbert Pluschke1001
27
在IGBT进行关断动作时是否有过压 进行关断动作时是否有过压
15
⇒ QG = 2230 nC
-8
2230 nC
IGBT的短路特性及驱动设计
IGBT电流的限制电路一．功率晶体管被应用于电力设备来控制电能的转换，用它来作为一种开关，在特定的时刻进行开和关，IGBT的型号由系统的设计者选择，既要考虑正常的工作条件，又要考虑非正常的工作情况，在非正常工作情况下。
IGBT可能承受非常大的浪涌电流，电流的大小经常只能靠IGBT 的自身增益进行限制，在应用上希望器件效率高、承受短路电流的时间长。
由于器件固有的特点，不能够同时追求高效和长的短路时间，因此器件设计上只能在两者间进行折中考虑。
在应用上，短路是不可避免的，电路设计上应设法提高IGBT的工作效率，提高IGBT承受短路电流的能力。
在发生短路时，关断栅极驱动信号。
IGBT的增益高，短路电流越大，但短路时间就短。
相反IGBT的增益低，短路电流的越小，短路时间就越长。
一般短路时间不应超过10us。
在应用上一般通过检测故障电流，当检测到故障电流后，降低栅极驱动电压，限制短路电流，延长短路时间。
IGBT的短路电流具有下面几种效应1．短路电流热效应：如器件受到短路电流冲击，大电流产生的功率损耗将使温度急剧上升，由于芯片的热时间常数小，温度在芯片上的增加速度非常快，当温度增加到芯片的本征温度250°时，器件将失去阻断能力，因此门极不可能控制器件的通断。
通过降低器件的短路电流，减小了短路电流在芯片上的功耗，因而延长了短路电流时间。
2.锁住效应由于四层结构的IGBT有着类似于晶闸管的特性。
在工艺上。
为了防止晶闸管效应一般通过降低等效晶体管的增益和减小等效NPN晶体管的基极电阻rb。
当IGBT在故障关断情况下，由于MOSFET通道的作用，大部分电流通过rb被分流。
此时rb上的压降将使NPN晶体管的基极-发射极处于正向偏置，使晶体管导通从而引起寄生晶闸管工作，产生锁住效应。
在电路设计上，减小故障电流，使故障电流在rb上的压降减小，从而避免晶闸管的锁住效应。
3．过压效应当产生故障电流时，切断故障电流的电流下降率在电感上产生的电压为Ldi/dt。
IGBT栅极驱动的参数要求和驱动条件
驱动电路的基本性能1.概述IGBT器件的发射极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过，因而低频的静态驱动功率接近于零。
但是栅极和发射极之间构成了一个栅极电容CGs，因而在高频率的交替导通和关断时需要一定的动态驱动功率。
小功率IGBT的CGs一般在10~l00pF 之内，对于大功率的绝缘栅功率器件，由于栅极电容CGs较大，在1~l00pF，甚至更大，因而需要较大的动态驱动功率。
IGBT栅极电压可由不同的驱动电路产生，栅极驱动电路设计的优劣直接关系到由IGBT构成的系统长期运行可靠性。
正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。
IGBT正栅压VGE越大，导通电阻越低，损耗越小。
但是，如果VGE过大，一旦IGBT过流，会造成内部寄生晶闸管的静态擎柱效应，造成IGBT失效。
相反如果VGE过小，可能会使IGBT的工作点落人线性放大区，最终导致器件的过热损坏。
在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在12~20V之间。
当栅极电压为零时，IGBT处于断态。
由于IGBT的关断过程可能会承受很大的dv/dt，伴随关断浪涌电流，干扰栅极关断电压，可能造成器件的误开通。
为了保证IGBT在集电极-发射极电压上出现dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还可减少关断损耗。
反向偏压应该在-5~-15V之间。
理想的心鄒驱动再路应具有以下基本性能：1)要求驱动电路为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压VGE。
理论上VGE≥VGE(th），IGBT即可导通；当VGE太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。
正向VGE越高，IGBT器件的VGES 越低，越有利于降低器件的通态损耗。
但也会使IGBT承受短路电流的时间变短，并使续流二极管反向恢复过电压增大。
因此正偏压要适当，一般不允许VGE超过+-20V。
关断IGBT时，必须为IGBT 器件提供-5~-15V的反向VGE，以便尽快抽取IGBT器件内部的存储电荷，缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗干扰能力。
IGBT门极驱动设计规范
IGBT门极驱动设计规范IGBT门极驱动设计规范是针对IGBT（绝缘栅双极型晶体管）门极驱动电路设计的一系列准则和规范。
IGBT门极驱动电路的设计对于系统的稳定性、可靠性和性能表现起着至关重要的作用。
本文将介绍IGBT门极驱动设计的一些基本规范。
首先，IGBT门极驱动设计应遵循电气安全规范。
设计师应根据相关标准和市场要求，确保IGBT门极驱动电路的安全性，包括采用合适的绝缘方式、阻隔和耐压设计等。
其次，IGBT门极驱动设计应遵循电磁兼容规范。
设计中应考虑电磁干扰和抗干扰性能，采用合适的滤波和屏蔽措施，以防止电磁辐射和电磁感应对其他电子设备造成干扰。
接下来，IGBT门极驱动设计应考虑系统的温度特性。
设计师应合理选择IGBT门极驱动电路的散热方案，并根据实际应用环境和工作条件，确定合适的工作温度范围和温度保护机制。
此外，IGBT门极驱动设计应考虑系统的响应速度和稳定性。
设计师应根据IGBT的特性，选取合适的驱动电路和元件，以确保系统的响应速度和稳定性都能满足要求。
此外，还应考虑到IGBT的过渡特性，以便在切换过程中防止开关损耗和电磁噪声。
此外，IGBT门极驱动设计应充分考虑系统的可靠性。
设计师应遵循可靠性设计原则，包括采用适当的元件和材料、合理布局和连接、考虑温度和湿度等因素，并进行必要的寿命和可靠性验证测试。
最后，IGBT门极驱动设计应兼顾成本和性能。
设计师应在满足性能要求的前提下，合理选择元件和材料，并进行成本效益分析，确保设计的经济性和可行性。
总之，IGBT门极驱动设计规范是根据电气安全、电磁兼容、温度特性、响应速度、稳定性、可靠性等方面的要求，对IGBT门极驱动电路的设计进行规范化的准则。
遵循这些规范，可以确保IGBT门极驱动电路的可靠性、稳定性和性能表现，提高系统的工作效率和寿命。
门极驱动电路设计方法
第7章 门极驱动电路设计方法
目录
1. 驱动条件和主要特性的关系..............................................................................7-2 2. 关于驱动电流 ...................................................................................................7-3 3. 空载时间的设定................................................................................................7-5 4. 驱动电路的具体实例 ........................................................................................7-6 5. 驱动电路设计、实际安装的注意事项 ...............................................................7-7
本章中对 IGBT 的门极驱动电路的设计手法进行说明。
7-1
第 7 章 门极驱动电路设计方法
1 驱动条件和主要特性的关系
表 7-1 表述了 IGBT 的驱动条件与主要特性的关系。由于 IGBT 的主要特性是随 VGE、RG 变化的，需要配 合装置的设计目标进行设定。
表 7-1 IGBT 的驱动条件与主要特性
图 7-2 驱动电路原பைடு நூலகம்图以及电压电流波形
驱动电流的峰值 IGP 可由以下近似式求取。
IGBT门极驱动的要求及电路设计
IGBT门极驱动的要求及电路设计IGBT门极驱动的要求及电路设计绝缘栅双极晶体管IGBT是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高(10-40 kHz)的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。
广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS及逆变焊机当中。
IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术。
在此根据长期使用IGBT的经验并参考有关文献对IGBT的门极驱动问题做了一些总结，希望对广大IGBT应用人员有一定的帮助。
1 IGBT门极驱动要求1.1 栅极驱动电压因IGBT栅极-发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行驱动，但IGBT的输入电容较MOSFET大，所以IGBT的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。
图1是一个典型的例子。
在+20℃情况下，实测60 A，1200 V以下的IGBT开通电压阀值为5～6 V，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc≥(1.5～3)Uge(th)，当Uge 增加时，导通时集射电压Uce将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中Uge增加，集电极电流Ic也将随之增加，使得IGBT能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Ugc的选择不应太大，这足以使IGBT完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力(在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT时，+Uge在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力)。
1.2 对电源的要求对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于IGBT是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使IGBT迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止IGBT关断时产生的du/dt误使IGBT导通，应加上一个-5 V的关栅电压，以确保其完全可靠的关断(过大的反向电压会造成IGBT栅射反向击穿，一般为-2～10 V之间)。
IGBT门极驱动设计规范新
如何安全地使用IGBT
哪个门极驱动电路会适用于模块SKM 400 GB 126 D ?
门极电阻的阻值不能小于 “测试过的门极驱动电阻” 这个 模块为 2 Ohm
Norbert Pluschke1001
7
如何选择正确的门极驱动电阻?
195A – max reverse recovery current
Norbert Pluschke1001
漏感造成的过压
t
v Co
L =− s
d × id C
Ev ,e
t r
t
r
a
s
y
h
o
28
o
软关断
当软关断时,必须外接一个短路电阻去和门极关断电阻串联
软关断 VGG-
RG on
RG off
软关断策略可以降低电压尖峰
RG off,
SC
vCE(t), iC(t) VCC IO
0 t
Norbert Pluschke1001
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IGBT Driver Design Rules
采用合适的开通和关断电阻
考虑过压和反向恢复电流
IGBT门极和发射极的保护措施
必须进行防静电处理 电路的保护措施
门极和发射极间的电阻– 4.7kOhm to 10kOhm 双向稳压二极管(16.8V – 17.5V) GE间加入小电容去掉振荡
Rg = 2 Ohm
两个分别用于开通和关断的门极驱动电阻
Ron = 2 Ohm Roff = 5 Ohm (降低过压尖峰)
开通电阻太小
避免出现振荡
Norbert Pluschke1001
8
确定IGBT的门极充电参数
IGBT驱动条件
IGBT驱动条件2011.7.21由于IGBT的主要特性是随V GE和R G变化的。
门极电路的正偏压V GE、负偏压-V GE和门极电阻R G的大小，对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及d V/dt电流等参数有不同程度的影响。
下表主要是IGBT的驱动条件和主要特性的关系。
1.1 门极正偏压电压：+V GE（导通期间）门极正偏压电压+V GE的推荐值为+15V，下面说明+V GE设计时应注意的事项。
(1) 请将+V GE设计在G-E 间最大额定电压V GES=±20V max. 的范围内。
(2) 电源电压的变动推荐在±10% 范围内。
(3) 导通期间的C-E 间饱和电压（V CE (sat)）随+V GE变化，+V GE越高饱和电压越低。
(4) +V GE越高，开通交换时的时间和损耗越小。
(5) +V GE越高，开通时（FWD 反向恢复时）对支路越容易产生浪涌电压。
(6) 即使是在IGBT断开的时间段内，由于FWD 的反向恢复时的dv/dt 会发生误动作，形成脉冲状的集电极电流，从而产生不必要的发热。
这种现象被称为dv/dt 误触发，+V GE越高越容易发生。
(7) +V GE越高，短路电流值越高。
(8) +V GE越高，短路最大耐受量越小。
1.2门极反偏压电压：-V GE（阻断期间）门极反偏压电压-V GE的推荐值为-5V到-15V。
下面说明-V GE设计时应注意的事项。
(1) 请将V GE设计在G-E 间最大额定电压V GES=±20V max. 的范围内。
(2) 电源电压的变动推荐在±10% 范围内。
(3) IGB的关断特性依存于-V GE，特别是集电极电流开始关断部分的特性在很大程度上依存于–V GE。
因此，-V GE越大，关断交换时的时间和损耗越小。
(4) dv/dt 误触发在-V GE小的情况下也有发生，所以至少要设定在-5V 以上。
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门极电阻的阻值不能小于 “测试过的门极驱动电阻 测试过的门极驱动电阻” 测试过的门极驱动电阻 这个 模块为 2 Ohm
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如何选择正确的门极驱动电阻? 如何选择正确的门极驱动电阻
195A – max reverse recovery current
Rg = 2 Ohm
设计参数：
反向恢复二极管的电流为-
1.5 x I diode by 80 degree case
270 A x 1.5 = 405 A
fsw = 10 kHz Rg = ?
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如何安全地使用IGBT 如何安全地使用
哪个门极驱动电路会适用于模块SKM 400 GB 126 D ?
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我们应该使用什么样的驱动
小功率的IGBT驱动
220V AC - - - -自举IGBT驱动, 高频脉冲变压器, 直流电压驱动 400V AC - - - - 采用简单光藕的新型自举IGBT驱动器
中等功率的IGBT驱动
400V AC - - - - 采用自举供电的光藕 690V AC - - - - 隔离的脉冲变压器以及复杂的IGBT驱动系统
Norbert Pluschke1001
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计算峰值门极电流
计算在最小的门极电阻情况下的峰值驱动电流 E.g. RG.on = RG.off = 2Ω Ig.puls ≈ ∆V / RG + Rint = 23V / (2Ω + 2Ω) = 5.75 A
Chip resistance (data sheet)
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自举驱动电路 – 非隔离 - L6386D
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电气隔离的要求
为了保护弱电控制系统 远离高压，电气隔离是 必须的。 Signal processing TOP + VDC
隔离可以通过以下方式 实现 -光藕 -脉冲变压器 小功率逆变器采用自举 驱动电路时，必须把控 制板的地和功率地隔离 开。 BOT
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GND
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HCPL-316J – 采用光藕的 采用光藕的IGBT驱动器 驱动器
隔离
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低成本IGBT驱动电路 驱动电路 低成本
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TD350 – 采用外部光藕的 采用外部光藕的IGBT驱动电路 驱动电路
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考虑门极的开通和关断延迟
门极电阻会影响以下参数
开通时间(影响di/dt) 开通延迟 关断时间 (影响dv/dt) 关断延迟
由于开通和关断时间的不同，选用了不合适的门极电阻可能会导 致模块的上半桥臂和下半桥臂同时导通。 门极电阻会影响上下两个半桥IGBT之间的真正死区时间。
大功率IGBT驱动
采用隔离变压器的IGBT驱动 采用Vce饱和压降进行过流检测和管理的IGBT驱动系统，包括软关断动作， 以及分别采用不同的门极电阻进行开通和关断。
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如何安全地使用IGBT 如何安全地使用
哪个门极驱动电路会适用于模块SKM 400 GB 126 D ?
过压会根据电流的不同而变化
短路， 过载
在 过压的同时会因为吸收电容的存在而产生振荡。检查吸收电容 的漏感。 漏感和吸收电容的振荡会在IGBT 产生一个高压。 分析IGBT内部的压降
模块内部的漏感 （会降低端子上的电压)
vCE(t), iC(t) VCC IO
漏感造成的过压
0
t
=−
×
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Norbert Pluschke1001
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IGBT门极和发射极的保护措施 所有的 门极和发射极的保护措施— 所有的IGBT驱动 门极和发射极的保护措施 驱动
Cge = Ciss
Rg1
必须离IGBT很近 很近 必须离
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考虑过压和反向恢复电流
IGBT门极和发射极的保护措施
必须进行防静电处理 电路的保护措施
门极和发射极间的电阻– 4.7kOhm to 10kOhm 双向稳压二极管(16.8V – 17.5V) GE间加入小电容去掉振荡
必须考虑上下管同时导通的情况因为
dv/dt太高 (米勒电容会产生一个电流，而且还改变集射极的电压（考虑到门 限电压值），在门极和发射极中加入负电压进行关断可以避免这个问题。 上下桥臂ＩＧＢＴ的开通和关断延迟
January 2010
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目录
定义和分类 IGBT的使用和门极电路设计 各类型的驱动电路介绍 IGBT过压的产生和抑制机理
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IGBT驱动的作用 驱动的作用 在电力电子装置中的一个重要组成部分,输入连接到控制电路 的PWM信号输出端，输出连接到装置各IGBT的门极和发射极 ，将装置中的控制电路产生的数字PWM信号进行 隔离传输和 电平转换和功率放大,实现控制电路对IGBT进行开通和关断动 作的控制，从而实现装置的功率变换功能。 如果电力电子装置比作是一个人，控制电路可以看作是大 脑，功率电路看作是手和脚，驱动电路就是连接大脑和手脚 之间的脊椎和神经。 驱动电路设计的好坏可以影响整个装置的稳定和可靠性。
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无变压器的由贴片元件组成的IGBT驱动电路 驱动电路(page 24) 无变压器的由贴片元件组成的 驱动电路
Vce 压降检测的二极管在主功率板上 变压器和电源都在主板上 一个逆变器需要6个驱动电路
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在IGBT进行关断动作时是否有过压 进行关断动作时是否有过压
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采用脉冲变压器的IGBT驱动电路 驱动电路 采用脉冲变压器的
+15V
+15V/-8V管理
脉冲变压器 Gate
- 8V
G 在短路以及IGBT开通时， 通过该电路降低门极和 发射极间的电压 -两级开通策略
Collector
Vce管理
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选择合适的门极驱动电路
驱动电路的最大参数必须不小于实际使用的和计算 出来的值。
门极电荷 QG = 2230 nC
平均电流 IoutAV = 22.3mA 最大门极电流 Ig.pulse = 5.75 A 最大开关频率 fsw = 10kHz 集射极最大电压VCE = 1200V 驱动的通道数量: 2 (GB模块) 双驱动电路
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开通死区时间计算
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关断死区时间计算
Norbert Pluschke1rbert Pluschke1001
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门极电阻对延迟的影响
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Focus February 2010
Release 27th February 2010
“Water Cooling Technology”
- why water cooling? - advantage of devices without base plate for water cooling concepts - How to improve the thermal resistance ? - construction advice (air bubble) - high power density concept with water cooled heat sink and SKiM
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⇒ QG = 2230 nC
-8
2230 nC
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计算平均电流
计算平均电流: IoutAV = P / ∆U ∆V = +Vg + [-Vg]
根据公式P = E * fsw = QG * ∆V * fsw
绝对值
⇒ IoutAV = QG * fsw = 2230 nC * 10kHz = 22.3 mA
两个分别用于开通和关断的门极驱动电阻 Ron = 2 Ohm Roff = 5 Ohm (降低过压尖峰)
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开通电阻太小 避免出现振荡
8
确定IGBT的门极充电参数 的门极充电参数 确定
门极电荷由SEMITRANS的datasheet 中的图表6 可以看到
门极驱动电路中典型 的开通和关断电压分 别是 VGG+ = +15V VGG- = -8V
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软关断
当软关断时,必须外接一个短路电阻去和门极关断电阻串联
RG on
软关断 RG off 软关断策略可以降低电压尖峰
RG off,
SC
vCE(t), iC(t) VCC IO 0
VGG-
t
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IGBT Driver Design Rules
采用合适的开通和关断电阻