IGB门极开通电压尖峰的机理分析及仿真验证

大家好，最近工作比较忙，更新文章有点慢，说实话写篇自己还算看得过去的文章确实挺费时间，为了保证每周至少一篇文章，找点简单的话题聊聊吧。

作为一名电力电子硬件工程师，我们在做测试时，经常会遇到一些比较“奇怪”的波形。说奇怪主要是因为这些波形要么非常难看，各种振荡，要么很难分析，搞不清楚具体原因，有时候这些测试能整到你怀疑人生。

对于这些“奇怪”波形，一部分是由于测量原因造成的，有些确是实实在在的波形。分析不透的根本原因是我们对电磁学知识理解不够深入，事实上任何一个波形都可以被科学的解释。为了让大家少走弯路，老耿从网络上找了一些比较有代表性的波形，给大家解读一下具体的机理，如果大家有比较好的素材也可以提供给我，免费帮大家分析分析!

案例: 图1所示的IGBT门极开通电压尖峰是怎么回事? 图片来源21世纪电源网，网名：moon。

图1a IGBT门极开通尖峰

图1b IGBT门极开通尖峰

机理分析：

IGBT门极驱动的等效电路如图2所示：

图2. IGBT驱动等效电路

IGBT开通瞬间门极驱动回路相当于一个RLC串联回路，其中：

Rg为驱动电阻Rg,ext和内部电阻Rg,int之和;

Cg为IGBT输入电容Cies，门极电容Gge和米勒电容Cgc之和;

Lg为门极驱动回路的寄生电感Ls1。

数学可描述为二阶微分方程：

老耿数学不太好，方程求解就不说了，后面直接看仿真。IGBT开通过程的理想波形如图3所示，开通瞬态门极电压尖峰主要发生在开通延迟阶段(图中未画出门极电压尖峰)。

图3.IGBT开通理想波形

这个时候IGBT还没有开通，由于开通瞬态IGBT输入电容相当于短路，因此门极电流Ig快速上升至峰值电流，随后门极电容会逐渐被充电至开启阈值电压Vge,th，米勒平台Vgep，最后到Vcc，门极电流也逐渐减小至0。

开通瞬态门极电流的上升速率dIg/dt是非常快的，可以达到几十ns，一般情况下驱动推挽电路的上管开通速度越快，门极电阻越小，di/dt就会越大，因此尖峰也会越高。

搞清楚机理后，大家就应该知道这个尖峰对IGBT是没有什么影响的，只是内部寄生电感上的尖峰，实际上此时IGBT真实的门极电压Vge为0。

开通的时候存在电压尖峰，关断的时候也会存在，道理同上。大家仔细看一下图1b中绿色的门极关断波形，也会发现一个下垂的小尖峰。

仿真验证：

为了验证上面的分析，在saber软件中搭建了一个简单的双脉冲测试电路，如图4所示：

图4. 双脉冲仿真电路

IGBT是软件自带的仿真模型，门极驱动电阻为4Ω，驱动回路的寄生电感为10nH，仿真波形如图5所示，开通暂态门极电压有个向上的尖峰，关断暂态有个向下的尖峰。

图5. 门极尖峰仿真波形

有些小伙伴可能会发现，第二次开通IGBT集电极电流怎么没有反向恢复电流啊，这是因为saber自带的二极管模型无法仿真反向恢复特性。

总结：

① IGBT开通门极电压的尖峰不会对器件造成任何影响，大家不用担心;

② 并不是所有的测试都能看到这个尖峰，测试尖峰的大小与驱动电路，待测器件以及探头测试位置都有关系;

③ 电力电子应用过程中无论是功率回路的电压尖峰还是驱动回路的电压尖峰，都是由于寄生电感和快速的电流变化造成的，两者缺一不可;

④ Saber在进行IGBT仿真时是比较精确的，遗憾的是目前Saber自带的二极管模型无法仿真反向恢复特性。

好了，今天就给大家分享到这里，由于作者水平有限，以上内容若有不对之处，请大家批评指正!大家要是有比较好的素材或者不太理解的波形，可以私信我或发我邮箱，免费帮大家分析分析，全当技术交流了!

原文标题：波形解读1：IGBT门极电压尖峰是怎么回事?

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审核编辑：汤梓红