IGBT器件的门极驱动模型及应用综述

摘 要本文主要从IGBT器件开通时驱动工作过程和IGBT器件关断时驱动工作过程分析了IGBT器件门极控制机理，阐述了IGBT器件驱动数学模型，并针对IGBT器件驱动电路损耗进行分析和探讨。最后经过仿真和试验结果，为选择驱动电源设计或选型提供了依据。

【关键词】晶体管 数学模型

如今科技水平进展迅速，越来越多的电子产品和装置受到人们关注。而一些电力半导体器件和电力电子装置的发展更是受到了专业人士的喜爱，人们也对器件和装置的要求越来越高。其中，最受人们关注乃是IGBT器件，其具有开关性能好、驱动简单等优势。目前，有一些系列的集成驱动器对IGBT器件的开关采取多种保护措施。然而还有别的因素也会影响IGBT器件过程，如驱动电源性能。驱动电源若功率过大，则会使门极电流过高，而若驱动电源容量不足，则会引起IGBT器件开关新能出现问题。本文建立了相应的驱动等效电路，推导了相应的表达式，为驱动电源设计提供了依据。

1 IGBT门极控制机理

如图1所示，其为比较常见的IGBT器件驱动电路结构。IGBT器件驱动电路是指控制部分与装置主回路的衔接地方，而驱动电路为了使IGBT器件开通或关断，需要将控制输出信号的电平转变为相应的驱动功率。通过图1认识相关的驱动电路器件，如Q代表IGBT器件，Ug+代表驱动电源开通，Ug-代表驱动电源关断，V1，V2代表电平转变功率作用的电路，CGE代表门极结电容，CGC代表米勒电容，Ron和Roff均代表门极驱动电阻，R1代表门极保护电阻，Z代表双向稳压管，R1、Z和C1能对IGBT门极起到动静态过电压保护的作用。

1.1 IGBT器件开通时驱动工作过程

IGBT器件开通与关断主要是驱动电路对门极输入电容Gies进行充放电。门极输入电容Cies等效为CGE和CGC并联，如果IGBT器件最初为阻断，那么器件门极承受反压Ug-。

（1）

根据方程式（1），即门极电压电流方程式可以看出门极输入电容Cies随着IGBT器件的运行状态而产生变化。

IGBT器件开通时，驱动电路对门极结电容CGE进行充电，此时CGC约等于0，IGBT器件的门极电压逐步提高，t1时刻门极电压提高到相应程度时，IGBT器件打开，器件运行至放大区。

t2时刻，uG继续升高，直至到Um，此时IGBT器件集电极电流处在饱和状态。从另外一个角度来看，如器件内部物理结构，发射极注入载流子到漂移区从而达到动态平衡，而一些作用使相应的空间电荷区变窄或消失。IGBT器件集射极承受电压下降，而相关的米勒电容CGC逐渐增大，门极输入电容Cies也相应增大，t2时刻，IGBT器件门极出现了恒压和恒流的特征。

随后，米勒电容CGC恒定，器件稳定运行于饱和区。

1.2 IGBT器件关断时驱动工作过程

IGBT器件关断驱动工作过程与开通时驱动工作过程不同，关断时IGBT器件退出饱和区，米勒电容CGC逐渐减小至零，随后IGBT器件电流逐渐下降，最终截止。

2 IGBT器件驱动数学模型

2.1 IGBT器件开通时门极电路方程

其波形显示在0到t2时间段内，门极输入电容Cies与米勒电容CGC相等，而且在0到t1时间段内，驱动电路只对器件门极进行了放电，此时器件还未开通，t1时刻电压大约为Uth。到了t1到t2时间段，IGBT器件电流上升，直到饱和，其中tr为电流上升的时间。根据方程式（1），可以知道t1到t2时间段的电路方程式为方程式（2）。

（2）

在t2到t3的时间段内，门极输入电容Cies等于门极结电容CGE与相应时间段米勒电容CGC（t）之和，此时IGBT器件保持在米勒效应区。t2到t3的时间段内CGC逐渐增大，IGBT器件门极出现恒压恒流特征，其电路方程为方程式（3）。

（3）

此外，还可以根据在门极输入电容Gies在相应期间米勒效应区存在的电荷量ΔQ，可以得出ΔQ的部分电荷量存储在CGC上，根据这些条件，可以知道米勒效应区持续时间计算方式为方程式（4）。

（4）

在t3到t4的时间段内，门极输入电容Gies处在恒定状态，门极输入电容Cies等于门极结电容CGE与米勒电容CGC之和。此时，IGBT器件门极充电至稳态，器件也完全开启，相应的电路方程为方程式（5）。

（5）

虽然IGBT器件关断驱动工作过程与开通时驱动工作过程不同，但关断时的门极方程仍然可以按照IGBT器件开通时的等效过程进行列写，即不同时间阶段电路方程式描写。

2.2 电容CGC及电压Um

IGBT器件开通时，在米勒效应区内米勒电容CGC随着器件集射极承受电压下降而逐渐增大。

ΔQ和uG在不同集射极电压下IGBT器件开通时的相关曲线如图2所示。根据图2的曲线可知，该曲线是从ΔQ与uG关系角度进行，描述了IGBT器件开关瞬间的三个等效过程。根据图2的曲线图可以推测出Cgc=ΔQ/Um。

3 IGBT驱动电路损耗

在IGBT器件开关过程中，门极驱动电阻均会对门极电容上的电荷量进行消耗，而在IGBT器件开通的瞬间，门极驱动电阻Ron所消耗的能量计算方式为方程式（6）。

（6）

如果IGBT器件关断时，门极驱动电阻Roff所消耗的能量与IGBT器件开通时门极驱动电阻Ron消耗的能量相等，而且IGBT器件的开关频率为f，那么计算IGBT在开挂瞬间，驱动电路所消耗的平均功率的方式为方程式（7）。

（7）

根据对IGBT器件的驱动电源的要求，驱动电源输出的平均功率要大于或等于PW。根据方程式（2）的要求，IGBT器件开关瞬间，其驱动电源输出的最大正负峰值电流要大于Im+，Im-，关于Im+和Im-的计算方式为方程式（8）。

（8）

4 实验结果

本文对其中IGBT器件MG75J2YS45进行了测试，实验中IGBT器件驱动电路如图1所示，其中门极驱动电压Ug+为15伏，Ug-为-9伏，门极驱动电阻Ron与Roff相等，均为15欧，门极结电容CGE为8.5纳法，PWM频率f为2kHz。根据图2的曲线可以知道器件Uth约为4.5伏，而在实验中，根据器件集电极电流的情况，选择Uth约为5伏。根据集电极电压200伏的条件，器件米勒电压约为6.5伏，而门极充电电荷量ΔQ约为220纳库，并推算出CGC约为.2纳法。

仿真波形与驱动波形虽然具有一定的相似程度，但还存在一定的差异。驱动模型基本上能够反映IGBT在开通和关断瞬间驱动器的工作过程，但由于驱动电源的输出电压上升时间问题，以及寄生电感阻碍门极电流问题，导致出现了差异。为了减少寄生电感的影响，应采用直接安装于器件端子侧的结构。

根据方程式（7）和方程式（8）的要求，IGBT器件开通和关断时，驱动电源的平均功率要大于22.5毫瓦，其中驱动电源输出的瞬态峰值电流Im+要大于+1.6安，Im-要大于-1.6安。

5 结束语

综上所述，随着科技水平进展迅速，电子产品和电子装置的运用越来越广，其中IGBT器件以其优良的性能和优势受到了人们的普遍关注和应用。为了保证IGBT器件能够安全工作，本文通过建立驱动电路模型对IGBT器件驱动电路的安全性进行了检测。通过上述分析可知，通过建立驱动电路模型，能够有效反应IGBT的开关过程，而相关的计算结果，则可作为选择或设计驱动电源的依据。

参考文献

[1]宁大龙，同向前，胡勋.IGBT器件的门极驱动模型及应用[J].电力电子技术，2012，12：106-108.

[2]伍文浩.机车辅助变流系统驱动电路研究[D].北京交通大学，2014.