重要的动态参数包括:栅极电阻(内部+外部)、栅极电容、寄生电容、充电电荷、开关时间等,其中,开关时间是开关特性的表征。
栅极电阻:
包含外部栅极电阻RGext和内部栅极电阻RGint,其中RGext的大小设置一般给工程师发挥,请看示意图:
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门极总栅极电阻RGtot包含内部栅极电阻RGint和外部栅极电阻RGext,即RGtot=RGint+ RGext
于是有,IGBT理论驱动峰值电流:
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  • RGint:大电流IGBT内部会集成一些芯片,每个芯片都有单独的栅极电阻,RGint是这些栅极电阻并联之后的值。集成内部栅极电阻的作用是为了实现模块内部IGBT芯片的均流,该思路在做单管并联方案的时候也很好用。
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  • RGext:由工程师设置,包含Rgon(开通电阻)和Rgoff(关断电阻),一般在设计时通过不同的充放电回路来设置不同的Rgon和Rgoff;栅极电阻对IGBT的开关性能影响较大,在调整该值时,除了理论计算外,工程师会结合双脉冲试验的测试数据来验证并调整,以达到较好的开关效果。
    最小的Rgon(开通电阻)由开通的di/dt限制;最小的Rgoff(关断电阻)由关断dv/dt限制,过小的栅极电阻可能会导致震荡甚至造成IGBT或二极管的损坏。
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栅极电阻的大小影响开关速度,即后边介绍的开通关断时间,进而影响IGBT的开关损耗,datasheet上驱动电阻对开关损耗的影响如下
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可见,开通损耗受栅极电阻的影响要更大。
同理,反向恢复损耗受开通电阻的影响也可以在规格书中查到。

寄生电容:
IGBT的寄生电容影响动态性能,它是芯片内部结构的固有特性,把它搞清楚,更能理解IGBT开关过程中栅极驱动电压的变化过程
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简化示意图才好理解:
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先命名:

  • 反馈电容又称米勒电容:
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  • 输入电容:
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  • 输出电容:
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输入电容Cies和米勒电容Cres对栅极的驱动特性影响较大,其中,米勒电容还是驱动电压Vge米勒平台的始作俑者,如下图红框所示。此外,因为米勒电容的存在,IGBT的驱动电路往往需要设置米勒嵌位,防止因米勒电容动态过程造成的上下管直通。
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输出电容Coss则限制开关过程中的dv/dt,其造成的损耗一般可忽略。
规格书中,上述寄生电容示例如下
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插播:米勒钳位
在下图所示的IGBT半桥中,当上半桥IGBT_H导通时,下半桥IGBT_L的集电极-发射极之间电压VCE_L 迅速上升, 下半桥IGBT_L的集电极-门极之间的米勒电容会产生一个瞬间电流icg =Ccg x dVcg /dt ,电流给下桥IGBT门极充电,抬升门极电压,可能造成误导通,因此,需要嵌位电路把该电压嵌下去,防止误导通。
一般车规级驱动IC均有该功能
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栅极电荷Qg:
开通时,门极电压抬升至目标值所需要的充电电荷,关断则反向理解
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平均栅极驱动功率可通过栅极电荷QG、驱动电压和开关频率计算获取:
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实际设计中的栅极电荷可不一定是规格书给的值,依赖于栅极电压的摆动幅度,为了让我们获取这个实际栅极电荷,规格书很贴心的给出了栅极电荷与栅极电压之间的曲线作为参考:
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栅极电压选定了,电荷就有了,再加上开关频率,去算这个平均栅极驱动功率就很简单了对不对

开关参数:
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  • 开通延时时间td on:开通时,栅极电压的10%开始到集电极电流上升至开通值的10%为止的时间;
  • 电流上升时间tr:开通时,集电极电流上升至10%到集电极电流上升至最终值的90%为止的时间;
  • 关断延时时间td off:关断时,栅极电压下降至其开通值的90%开始到集电极电流下降到开通值的90%为止的时间定义为关断延迟时间;
  • 电流下降时间tf:关断时,集电极电流从开通值的90%下降到10%之间的时间;
  • Eon:开通损耗;
  • Eoff:关断损耗;
下边这张图,一目了然:
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单个脉冲的开关损耗可由下边公式算出,在双脉冲试验中,部分有积分功能的示波器可以测得单个脉冲的开关损耗。
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规格书上给的开关损耗仅供参考,实际应用中的开关损耗强烈依赖应用条件,例如栅极电阻、驱动电路、芯片结温、母线电压及集电极电流等。
因此,工程师一般会通过实际测试获取应用中的开关损耗,不知道测试方法的同学往前翻一翻双脉冲测试方法。

另外,上边几个时间参数可用来计算参考死区时间,常用的半桥拓扑电路,为了防止切换时上下桥直通,一般会设置合适的死区时间,计算公式参考:
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此公式没有把tr和tf考虑进去的原因是一般它俩相对于td on和td on小很多,实际计算以实际测试的时间参数为准。
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