中心議題：

• IGBT的柵極電阻和分布參數分析

解決方案：

• 觀察波形變化來分析各個參數對電路的影響

IGBT 即絕緣門極雙極型晶體管( IsolatedGate Bipolar Transistor)，是一種新型複合器件。由於它將MOSFET和GTR的優點集於一身，具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好

、電壓驅動(MOSFET的優點)
， 同時通態壓降較低，可以向高電壓
、大電流方向發展(GTR的優點)。因此，IGBT發展很快，特別是在開關頻率大於1kHz

，功率大於5kW的應用場合具有很大優勢。在全橋逆變電路中

，IGBT是核心器件， 它可在高壓下導通，並在大電流下關斷，故在硬開關橋式電路中，功率器件IGBT能否正確可靠地使用起著至關重要的作用。驅動電路就是將控製電路輸出的PWM信號進行功率放大，以滿足驅動IGBT的要求
，所以，驅動電路設計的是否合理直接關係到IGBT的安全、可靠使用。為了確保驅動電路設計的合理性，使用時必須分析驅動電路中的參數。

1 柵極電阻和分布參數分析

IGBT在全橋電路工作時的模型如圖1所示。

RG+Rg是IGBT的柵極電阻
， L01
、L02、L03是雜散電感(分布電感)， Cgc、Cge、Cce是IGBT的極間電容， U1是驅動控製信號， U2為母線電壓。

圖1 IGBT的全橋模型

1.1 IGBT的導通初態

二極管D1導通時， 若U_ge為所加的反向電壓值(可記為-Ug2， 正向電壓記為+Ug1)， 集電極電流iC=0， Uce=U2。開通後， U1向Cgc、Cge充電， 此時Uge可寫成：

其中時間常數τi= (Rg+RG) (Cge+Cgc)， 隻有U_ge上升至門檻電壓U_ge (th)後， IGBT才會導通。從上述公式可以看出
， Uge的上升速度是和時間常數成反比的， 即柵極電阻和輸入電容越大， 上升速度越慢， IGBT開通的時間就越長。

1.2 IGBT的關斷初態

若Q1處於全導通狀態
， 二極管D1處於截止狀態， 二極管中的電流為0， Uce為IGBT管壓降
，Uge=Ug1
， 輸入電壓由Ug1變為-Ug2
， Cge和Cgc被反向充電

， uge下降
， 此時U_ge可表示為：

其中τi＝ (Rg+RG) (Cge+Cgc)

上式表明，τi越大，關斷延遲時間越長。

1.3 導通至關斷的過程

IGBT在開關過程中
， 可能會有電壓或電流的突變， 這將引起器件上電壓或電流尖峰的產生以及高頻諧波振鈴。這一現象有兩個不利點： 一是會產生電磁幹擾， 二er是shi會hui增zeng加jia器qi件jian的de應ying力li。通tong常chang采cai取qu的de應ying對dui措cuo施shi是shi用yong緩huan衝chong吸xi收shou回hui路lu來lai抑yi製zhi開kai關guan過guo程cheng的de突tu變bian。下xia麵mian會hui分fen析xi一yi下xia電dian路lu中zhong產chan生sheng電dian壓ya或huo電dian流liu尖jian峰feng的de原yuan因yin。

首先是導通至關斷過程中的雜散電感極性會發生變化
， IGBT極間電容在IGBT關斷時， 也會反向放電。

其次，二極管D1導通時，相應的D1中的電流iD1會上升。為了維持原先的電流，儲存在L02中的磁能將釋放出來，L02的端電壓反向，該電壓將使IGBT產生關斷過電壓，即在CE兩端產生電壓尖峰。如果雜散電感L02足夠小，CE端電壓的尖峰隻等於IGBT的管壓降(2V左右)。但由於CE端產生了電壓尖峰，故使集電極電流iC有了一個負向的尖峰。

另外，開通過程中
，由於二極管D1的反向恢複電流IRM將疊加在集電極電流iC上，這也會使IGBT實際流過的電流存在一個尖峰，這一尖峰可通過串聯在回路中的電阻上的電壓波形觀察。
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2 實驗設計及結果分析

圖2所示為本實驗的電路連接圖， 其中R1取5Ω～20Ω；C1 取10000pF ～40000pF；R2 取20Ω～50Ω
；C2是電解電容
，取值為1000μF～3000μF
；C3是薄膜電容，取值1.5μF；U是直流電壓源
，電壓為10V～100V。實驗時
，可通過改變R1、R2、C1

、C2和U的大小來觀察各部分波形的變化，以分析各個參數對整個電路的影響。其實驗時測試的波形如圖3所示。通過觀察和分析實驗波形的變化
，可以得出以下結論：

圖2 實驗電路連接圖
 

(a) GE端電壓波形

(b) CE端電壓波形

(c) 電源

端夾雜交流電壓波形

(d) 集電極電流波形
圖3 實驗測試波形圖

在輸入端增大串聯電阻R1的阻值， 會使輸入驅動波形的上升沿與下降沿(GE端電壓) 的銳度減緩

， 其影響是使IGBT的開通與關斷的時間延長
， 同時輸出端(CE) 的上升沿與下降沿的銳度也同樣減緩
， 並可減小輸出端CE兩端電壓的尖峰， 另外
， 帶給電源的高頻諧波的峰值也在減小。但是， 這樣會使IGBT的開關損耗增大。

GE端並聯電容C1同樣會使輸入驅動波形的上升沿和下降沿銳度減緩， 這對輸出端CE間電壓上升延遲和下降延遲有減緩作用， 但該作用沒有增加R1阻值的效果明顯。

當R2減小， 即負載增大時， 隨之增大的還有CE間電壓尖峰和CE間電壓波形的上升時間和下降時間， 以及電源端電壓中交流成分的幅值。

直流電源兩端並聯的電解電容C2可以有效抑製電源兩端的低頻諧波， 諧波的頻率在20kHz左右(與驅動信號頻率相同)

， 在直流電源兩端並聯薄膜電容C3對高頻諧波(幾兆赫芝) 的抑製很有效。但是， 當兩個電容同時作用時， 高頻諧波依然會被引入， 這並沒有達到我們預期的效果；對比直流電源電壓在10V～100V時各種情況下的電壓上升沿與下降沿時間可以發現： 上升時間與下降時間不會隨著直流電源電壓的增大而變化。也就是說： 在實際的全橋電路中
， 這些參數不會跟隨母線的變化而變化。

3 結束語

在實際電路中，柵極電阻的選擇要考慮開關速度的要求和損耗的大小。柵極電阻也不是越小越好，當柵極電阻很小時，IGBT的CE間電壓尖峰過大，柵極電阻很大時
，又會增大開關損耗。

所以，選擇時要在CE間尖峰電壓能夠承受的範圍內適當減小柵極電阻。

由(you)於(yu)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)會(hui)引(yin)起(qi)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態(tai)下(xia)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)的(de)尖(jian)峰(feng)和(he)振(zhen)鈴(ling)，所(suo)以(yi)，在(zai)實(shi)際(ji)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)中(zhong)
，連(lian)線(xian)要(yao)盡(jin)量(liang)短(duan)，並(bing)且(qie)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)和(he)吸(xi)收(shou)電(dian)路(lu)應(ying)布(bu)置(zhi)在(zai)同(tong)一(yi)個(ge)PCB板上
，同時在靠近IGBT的GE間加雙向穩壓管，以箝位引起的耦合到柵極的電壓尖峰。