功率器件驱动算法及其门极保护

01、IGBT工作时序

如下为典型IGBT驱动时序展开波形：

T0-阶段：门级电流Ig给Cge充电，此时Vge电压小于阈值电压Vgeth，因此IGBT处于关断状态，Vce电压维持在Vcc。

T1阶段：当Vge电压超过阈值Vgeth时，IGBT进入开启状态，工作在线性区，Ic电流开始上升到负载电流Icload，而实际工作时，由于续流二极管的存在，其反向恢复电流会叠加到IGBT上，该电流上升会超过负载电流，在Vge达到米勒平台电压前，Vce两端电压为Vcc，有源钳位就是利用IGBT工作在线性区的原理来吸收回路当中多余的能量，这个在TVS有源钳位保护里面有详细的介绍。

T2阶段：Vge维持在米勒平台电压Vgepl，当续流二极管电流下降为零时，Vce开始急剧下降。

T3阶段：Vce下降到饱和压降Vcesat，此时驱动电流给Vgc电容充电，Vge维持在米勒平台。

T4阶段：IGBT彻底导通，此时门级电流Ig给Cge充电直到设定的驱动电压，驱动电流下降为零，侧面反映了IGBT属于电压驱动型器件。

02、IGBT驱动算法

以IGBT为例，规格书通常会给出门极电荷Qg_int，门极输入电容Cies，规格驱动楷体电压Vgon_spec以及关断电压Vgoff_spec，内部驱动电阻Rg_int。以及通过选型设定外部电阻Rg_ext，实际工作驱动电压Vgon_act、关断电压Vgoff_act与开关频率fsw。

从而可以算出峰值驱动电流Igpk:

通过初始Qg_int、门极输入电容Cies以及初始门极驱动电压可折算出门极电容系数Kc:

通过门极电容系数可以反推回去实际驱动电压下所需的门极电荷量Qg_act:

此时的平均工作电流Ig_av为电荷量与开关频率fsw乘积:

驱动所需能量Eg_act为：

根据驱动能量与开关频率可以得出所需的驱动电路功率Pg_act:

通过简单的算式可以实际驱动电路所需的驱动功率与峰值电流，下图为Littelfuse原IXYS低边驱动IC，其中IXD_600系列峰值电流可以达到30A，可以用于大功率模块以及多分立器件并联的使用。

03、驱动线路过压保护

由于线路串扰、感性与容性负载的存在，使得功率器件驱动与功率回路都会受到过压导致的损坏情况，主回路当中可以通过外接缓冲吸收回路，也可以通过门极串联TVS来做有源钳位的方式，门极通过并联TVS的方式可以起到尖峰电压吸收，参考电路图如下。

门极保护通常会通过并联TVS或者Zener管的方式来实现过压保护，TVS最大优势为其能承受更大的浪涌冲击能力。TVS工作机理如下，为钳位型器件，在浪涌过来后达到其击穿电压，二极管进入雪崩区域，此时吸收浪涌电流急剧增加，而电压能钳制在稳定范围，从而起到良好的过压保护效果。

04、非对称驱动保护

通常情况下，IGBT与碳化硅MOSFET会涉及到正负驱动电压不相等的情况，即非对称驱动电压，市面常用的做法为选用两个TVS使用，即正电压与负电压独立保护。