电机控制器驱动设计简介2 ---认识IGBT

前言：

如果你想做电机控制器的驱动设计，首先要对驱动的对象-功率器件有深入的了解，而所谓功率器件也就是电力电子器件，通俗点可以理解为低压或者小电流开关信号，通过驱动电路控制高压或者大电流信号开关的一种元器件，电机控制器中比较常见的功率器件有两种：IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和MOSFET（绝缘栅型场效应管），今天我们先认识下IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。

正文：

一、什么是IGBT？

在电机控制器中IGBT应用位置可以参见《电机控制器驱动设计简介1》，其中主回路部分由6个IGBT组成的三相全桥电路。如下图1所示。IGBT目前是中、大功率电力电子设备的主要使用器件。

图1 电机控制器主回路

IGBT为一个三端器件，包括栅极、集电极及发射极，如图2所示。IGBT的开通和关断由栅极与发射极间的电压U_CE控制，开通电压一般为+15V,关断电压为-8V。IGBT的饱和压降即其开通后UCE上的压降小于MOSFET的开通压降，特别是在大电流应用场合使得其开通损耗低于MOSFET。IGBT的工作状态一般只有开通和关断，中间的线性区域损耗很大，容易烧毁管子。IGBT关断时会有拖尾电流，使其关断损耗高于MOSFET。

图2 IGBT电气图形符号

二、IGBT的开关过程分析

IGBT开关过程由于器件本身的结构并不会呈现理想的开关波形，另外，外部驱动电路的设计也会影响开关波形。下面对IGBT开关过程进行分析，IGBT的等效电路图如图3所示，其栅极与发射极存在分布电容C_GE,栅极与集电极存在分布电容C_CE，发射极与地之间存在分布电感L_E。

图3 IGBT等效电路图 

开通过程：

受上述寄生参数的影响，IGBT的开通波形如下图4所示，在T0时刻，栅极电压U_GE开始上升，上升斜率主要取决于R_G（R_Gout+R_Gin）和C_GE，上升速度很快；在T1时刻栅极电压达到门槛电压，IGBT开通，集电极电流I_C上升，之后L_E的存在减缓了电流I_C的上升斜率，同时随着I_C的增大，栅极电压会被削弱，在T2时刻I_C达到了最大，电容C_CE开始放电，栅极会流入C_CE的放电电流，使得栅极电压U_GE下降，这个下降过程会持续到U_CE之间电压降到接近0V。实测开通波形如图5所示，可以分析出各个时间点电压电流的波形变化。

图4 开通时序图

图5 实测的开通波形

关断过程

关断过程如图6所示，T0时刻栅极电压开始下降，T1时刻到达维持工作的临界值，电压U_CE开始上升，电流IC开始下降，在U_GE上升的过程中，受到电容C_CE的充电影响，U_GE下降过程会维持不变，产生一个电压平台，叫米勒平台。一直到T3时刻关断结束。如图7所示，为实际的关断波形，可以清楚的观察到米勒平台。

图6 关断时序图

图7 实测的开通波形 

三、总结

   IGBT的开关过程对于其损耗计算，死区时间计算，电压电流应力，杂散电感计算等关键设计参数的获取至关重要，需要大量的实验才能获得准确的数据。

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