引言
目前整个世界趋势讲究绿能环保，以电能取代传统的石化燃料；所以选用高效率、高功率的元件，是解决环境污染和降低碳排放的关键。IGBT 拥有高输入阻抗及低导通压降(低导通阻抗)的优点，在一些高效率设备上通常会选择 IGBT 作为功率控制元件，例如电动车、马达驱动器、风力/太阳能发电、再生能源逆变器(Renewable Energy Inverter)及 UPS 不断电系统…等，因此使用 IGBT的设备将在未来几年蓬勃发展。 本文首先简单说明一下有关 IGBT 的主要特性，再介绍 IGBT 闸极驱动器 EL3120 在不同的应用需求中常见的电路配置型态。
Insulated Gate Bipolar Transistor ( IGBT)简介：
绝缘闸双极电晶体（IGBT）结合了金氧半场效电晶体(MOSFET)和双极性电晶体（BJT）两者的特性，具有 MOSFET 快速开关与 BJT 高电流导通的性能，此外，IGBT 具有较低的导通压降及较高的耐压，电路模型可以简化为由 MOSFET 作为驱动电晶体的等效电路，如图 1 所示。图 2 为 IGBT常用的代表符号。
图. 1 - IGBT 等效电路 图. 2 - IGBT 模组代表符号
IGBT 开关电气特性
图. 3 - IGBT 寄生电容
IGBT 的寄生电容（表 1）
IGBT 在切换到导通状态过程中，闸极充电电压会有一段区间变得平坦，称之为米勒平台，其中米勒电容（CGC）会影响米勒平台的时间长短，进而影响 IGBT 开启与关闭的速度。IGBT 闸极的充电过程如图 4 所示，闸极充电至额定电压所需的电荷量为（Qg），在 IGBT 规格书上可得知此参数。
图.4 闸极电压充电波形
IGBT 的导通行为如下图 5 所示。从时间 t0 到 t1，驱动器开始对闸极(CGE）开始充电, 直到闸极-射极电压达到 VGE(th)，在这段时间内 IGBT 不会导通，集极电压和电流都保持不变，称为开启延迟。 t1 到 t2 时，闸极电压持续上升超过 VGE(th)以上，此时集极电流 Ic 开始上升，当电流达到负载电流后此区间结束，此时由于 VCE 依然维持高电压，故此区间的切换损失最大，所以在设计时需要考虑 di/dt 斜率的大小以减少切换损失。在 t2-t3 期间，集极电压开始快速下降，而 IGBT 承载满载电流，此区间结束后闸极电压会暂时拑位在同一水平电位。在 t3-t4 期间仅米勒电容 CGC 处于充电状态，称之为米勒平台，直至 t4 米勒平台结束。VCE 降至 VCE(sat)，IGBT 完全导通。
图. 5 IGBT 导通时序图
IGBT 的关闭特性如下图 6 所示。时间 t1 到 t2，VGE 持续下降，直到米勒平台发生时的电压值。在 t2-t3 期间 IC 维持恒定，VCE 电压开始微幅上升，此时由于 CGC 电容产生米勒效应使得 VGE 电压保持恒定，直至米勒平台结束。在 t3-t4 期间，VCE 电压迅速增加到最大值，然后集极电流 IC 开始快速下降，直至电流截止。在 t4, IC=0A，IGBT 完全关闭。
图. 6 IGBT 关闭时序图
IGBT 外接的闸极电阻(Rg)可调节闸极电压上升和下降速率，表现在开启与关闭转态期间，集极射极端的 dVCE / dt 斜率，如图 7 所示，Rg 值越小则 dVCE / dt 及 IGC 越大。
图. 7 Rg 对 dVCE/dt 的影响
闸极电阻(Rg）对于 IGBT 的动态性能有明显的影响， 较小的 Rg 可以更快地对 IGBT 输入电容进行充电和放电，进而缩短了开关时间，并且降低了开关损耗，但是较小的 Rg 会导致 IGBT 输入电容和寄生电感产生振荡，一般 Rg 设计使用在 10Ω~30Ω 之间。IGBT 是电压驱动元件，需要闸极电压来使集极与射极导通或关闭，由于 IGBT 输入电容（CGE）较大，因此在关闭时使用负电压作为驱动，可以确保闸极在零电压以下, 抵抗米勒效应对闸极的干扰，防止闸极重新启动，图 8 显示为具有负电压的闸极驱动电路。当 IGBT 截止时，集极电压会快速上升，会在闸极产生较大的电压，因此将齐纳二极体反接到IGBT 的闸极与射极时，可以防止闸极上遭到过电压而损坏（通过拑位限制闸极的电压），防止 VGE 被击穿。
图.8 具负电压的 IGBT 闸极驱动电路
EL3120 (IGBT Gate Driver)驱动器介绍 :
EL3120是8 PIN封装的IGBT GATE DRIVER，最大驱动电流为2.5A，具有高速驱动及低功耗的特性，拥有±25KV共模杂讯抑制能力(CMTI)，非常适合用于IGBT的驱动电路。
闸极驱动器欠压锁定 (UVLO)
EL3120 驱动器具有欠压锁定（UVLO）功能，可以确保 EL3120 电源电压过低的情况下停止输出 IGBT 闸极的控制讯号，避免 EL3120 输出电压低于 IGBT 闸极最小驱动电压 VG(th)，导致工作模式转移到线性区造成高功耗的情况，提高驱动电路的安全性。
驱动器(IGBT Gate driver: EL3120)功率损耗计算
驱动器工作时会发热，温度上升影响其稳定性，必须考虑散热问题，可依使用状况进行散热设计。驱动器功率消耗如图 9 所示分为三部分，第一部分为输入的功耗 P_Emitter，由发射器造成，第二部分为驱动器本身耗电(静态电流) P_Internal，第三部分为驱动器开关时内部电阻造成的功耗P_Output，以下为计算式。
闸极驱动器总功耗为：
P(tot) = PEmitter + PInternal + Poutput
图. 9-1 驱动器功耗示意图
驱动发射器的功耗为：
PEmmiter = IF × VF ×D
D : maximum LED duty cycle
驱动器内部电路的功耗为：
PInternal = ICC × (VCC − VEE)
ICC: 驱动器自身耗电(静态电流)
驱动器输出功耗为：
ROH×VGE× Qg × fsw
PD(on) =—————————
2(ROH+Rg + RGINT)
ROL×VGE× Qg × fsw
PD(off) =—————————
2(ROL+Rg + RGINT)
POUTPUT= PD(on) + PD(off)
目前整个世界趋势讲究绿能环保，以电能取代传统的石化燃料；所以选用高效率、高功率的元件，是解决环境污染和降低碳排放的关键。IGBT 拥有高输入阻抗及低导通压降(低导通阻抗)的优点，在一些高效率设备上通常会选择 IGBT 作为功率控制元件，例如电动车、马达驱动器、风力/太阳能发电、再生能源逆变器(Renewable Energy Inverter)及 UPS 不断电系统…等，因此使用 IGBT的设备将在未来几年蓬勃发展。 本文首先简单说明一下有关 IGBT 的主要特性，再介绍 IGBT 闸极驱动器 EL3120 在不同的应用需求中常见的电路配置型态。
Insulated Gate Bipolar Transistor ( IGBT)简介：
绝缘闸双极电晶体（IGBT）结合了金氧半场效电晶体(MOSFET)和双极性电晶体（BJT）两者的特性，具有 MOSFET 快速开关与 BJT 高电流导通的性能，此外，IGBT 具有较低的导通压降及较高的耐压，电路模型可以简化为由 MOSFET 作为驱动电晶体的等效电路，如图 1 所示。图 2 为 IGBT常用的代表符号。
图. 1 - IGBT 等效电路 图. 2 - IGBT 模组代表符号
IGBT 开关电气特性
图. 3 - IGBT 寄生电容
IGBT 的寄生电容（表 1）
IGBT 在切换到导通状态过程中，闸极充电电压会有一段区间变得平坦，称之为米勒平台，其中米勒电容（CGC）会影响米勒平台的时间长短，进而影响 IGBT 开启与关闭的速度。IGBT 闸极的充电过程如图 4 所示，闸极充电至额定电压所需的电荷量为（Qg），在 IGBT 规格书上可得知此参数。
图.4 闸极电压充电波形
IGBT 的导通行为如下图 5 所示。从时间 t0 到 t1，驱动器开始对闸极(CGE）开始充电, 直到闸极-射极电压达到 VGE(th)，在这段时间内 IGBT 不会导通，集极电压和电流都保持不变，称为开启延迟。 t1 到 t2 时，闸极电压持续上升超过 VGE(th)以上，此时集极电流 Ic 开始上升，当电流达到负载电流后此区间结束，此时由于 VCE 依然维持高电压，故此区间的切换损失最大，所以在设计时需要考虑 di/dt 斜率的大小以减少切换损失。在 t2-t3 期间，集极电压开始快速下降，而 IGBT 承载满载电流，此区间结束后闸极电压会暂时拑位在同一水平电位。在 t3-t4 期间仅米勒电容 CGC 处于充电状态，称之为米勒平台，直至 t4 米勒平台结束。VCE 降至 VCE(sat)，IGBT 完全导通。
图. 5 IGBT 导通时序图
IGBT 的关闭特性如下图 6 所示。时间 t1 到 t2，VGE 持续下降，直到米勒平台发生时的电压值。在 t2-t3 期间 IC 维持恒定，VCE 电压开始微幅上升，此时由于 CGC 电容产生米勒效应使得 VGE 电压保持恒定，直至米勒平台结束。在 t3-t4 期间，VCE 电压迅速增加到最大值，然后集极电流 IC 开始快速下降，直至电流截止。在 t4, IC=0A，IGBT 完全关闭。
图. 6 IGBT 关闭时序图
IGBT 外接的闸极电阻(Rg)可调节闸极电压上升和下降速率，表现在开启与关闭转态期间，集极射极端的 dVCE / dt 斜率，如图 7 所示，Rg 值越小则 dVCE / dt 及 IGC 越大。
图. 7 Rg 对 dVCE/dt 的影响
闸极电阻(Rg）对于 IGBT 的动态性能有明显的影响， 较小的 Rg 可以更快地对 IGBT 输入电容进行充电和放电，进而缩短了开关时间，并且降低了开关损耗，但是较小的 Rg 会导致 IGBT 输入电容和寄生电感产生振荡，一般 Rg 设计使用在 10Ω~30Ω 之间。IGBT 是电压驱动元件，需要闸极电压来使集极与射极导通或关闭，由于 IGBT 输入电容（CGE）较大，因此在关闭时使用负电压作为驱动，可以确保闸极在零电压以下, 抵抗米勒效应对闸极的干扰，防止闸极重新启动，图 8 显示为具有负电压的闸极驱动电路。当 IGBT 截止时，集极电压会快速上升，会在闸极产生较大的电压，因此将齐纳二极体反接到IGBT 的闸极与射极时，可以防止闸极上遭到过电压而损坏（通过拑位限制闸极的电压），防止 VGE 被击穿。
图.8 具负电压的 IGBT 闸极驱动电路
EL3120 (IGBT Gate Driver)驱动器介绍 :
EL3120是8 PIN封装的IGBT GATE DRIVER，最大驱动电流为2.5A，具有高速驱动及低功耗的特性，拥有±25KV共模杂讯抑制能力(CMTI)，非常适合用于IGBT的驱动电路。
闸极驱动器欠压锁定 (UVLO)
EL3120 驱动器具有欠压锁定（UVLO）功能，可以确保 EL3120 电源电压过低的情况下停止输出 IGBT 闸极的控制讯号，避免 EL3120 输出电压低于 IGBT 闸极最小驱动电压 VG(th)，导致工作模式转移到线性区造成高功耗的情况，提高驱动电路的安全性。
驱动器(IGBT Gate driver: EL3120)功率损耗计算
驱动器工作时会发热，温度上升影响其稳定性，必须考虑散热问题，可依使用状况进行散热设计。驱动器功率消耗如图 9 所示分为三部分，第一部分为输入的功耗 P_Emitter，由发射器造成，第二部分为驱动器本身耗电(静态电流) P_Internal，第三部分为驱动器开关时内部电阻造成的功耗P_Output，以下为计算式。
闸极驱动器总功耗为：
P(tot) = PEmitter + PInternal + Poutput
图. 9-1 驱动器功耗示意图
驱动发射器的功耗为：
PEmmiter = IF × VF ×D
D : maximum LED duty cycle
驱动器内部电路的功耗为：
PInternal = ICC × (VCC − VEE)
ICC: 驱动器自身耗电(静态电流)
驱动器输出功耗为：
ROH×VGE× Qg × fsw
PD(on) =—————————
2(ROH+Rg + RGINT)
ROL×VGE× Qg × fsw
PD(off) =—————————
2(ROL+Rg + RGINT)
POUTPUT= PD(on) + PD(off)
ROH : 驱动器内部 High side MOSFET 导通电阻
ROL : 驱动器内部 Low side MOSFET 导通电阻
RGint : IGBT 内部闸极电阻
假设ROH ≈ ROL，则
ROH×VGE× Qg × fsw
PD(off) =—————————
ROH+Rg + RGINT
计算功率消耗是为了避免驱动器操作时超出额定功耗，如果操作超出额定功耗，驱动器容易因高温造成周边电路损毁，可以利用空气对流及加大 PCB 铺铜面积来增加驱动器的散热能力。
IGBT 驱动电路计算范例
以下为实际应用案例，EL3120 等效电路如图 10 所示，其内部使用的 MOSFET 具有较低的导通阻抗(ROH/ROL)，EL3120 可以使用或不使用负电压作为关闭 IGBT 的驱动，在不使用负电压时，其关闭时候的闸极电压 VOL 小于 0.5V，可以确保 IGBT 不会因米勒平台效应导致 IGBT 重新启动，造成短路。
IGBT 内部闸极电阻为(R_Gint)，当 EL3120 输出处于低准位时，此时 IGBT 闸极对地的路径为Rg+ROL+ R_Gint，若 Rg+ROL+ R_Gint 越低，则 IGBT 闸极越不容易受米勒效应影响。闸极的放电路径越长产生的寄生电感及电阻也越大，容易受杂讯干扰影响性能，故建议尽可能缩短 PCB Layout 路径。
计算驱动器功率损耗时，须求得下列数值。
(一) 驱动器内 ROL、ROH。
(二) 闸极电阻（Rg）电阻值。
驱动器及 IGBT 已知参数列表如下:
IGBT 参数 (FF150R12ME3G )
(一) 计算驱动器内 ROL、ROH 阻值
图.11 输出 High 电压与电流 图.12 输出 Low 电压与电流
驱动器内 ROH 在峰值电流 2.5A 时: 驱动器内 ROL 在峰值电流 2.5A 时:
ROH =2.5V÷2.5A= 1Ω ROL =2.2V÷2.5A= 0.88Ω ≈ 1Ω
(二) 计算驱动时闸极电阻（Rg）最小阻值。
根据 IOL 峰值规范计算最小 Rg，图 13 中为 IGBT 和 Rg 简单的等效电路。
图.13 具负压 IGBT 应用电路
vCC−VEE 18-(-6)
ROL + Rg + RGint > ————— =———— =9.6 Ω
Ig_peak 2.5A
Rg > 9.6 – 1 – 1.3 = 7.3 Ω
式子中 Ig 以峰值电流 2.5A 计算 Rg 最小值，若不使用负电源时，式子中的 VEE 则为 0V。若 Rg比计算值小时，驱动时可能会出现不稳定状况, 故建议比计算值稍大。由于效率及 EMI 往往相互关联，IGBT 启动越快，造成的切换损失越小，但往往 dV/dt 越大，造成 EMI 的干扰也越大，因此可借由增加 Rg 的值来做调整，以便满足 EMI 及效率的需求。
驱动器功率损耗
在导通和关闭 IGBT 的过程中，功耗会分别消耗在驱动器、闸极和驱动的路径。其功率消耗包括LED 发射的功耗(emitter)，驱动器内部的功耗(internal)，以及输出驱动的功耗(output)。
驱动器的总消耗功耗计算如下 :
P(tot) = P(emitter) + P(internal) + P(output)
ROH× VGE × Qg ׃SW
P(tot) = (IF × VF × D) + (Icc × ∆V) + ( ———————————— )
ROH +Rg +RGint
以上为 IGBT 的基本特性介绍及计算案列，在许多应用中 IGBT 一般作为马达的驱动元件，因此需要使用光耦驱动器作为隔离器件，以提高杂讯抑制能力和安全性。
常用应用电路架构 :
一般的 IGBT 驱动线路架构有以下几种。
图.14 具负压的 IGBT 应用电路
图.15 升压型转换器应用电路
图.16 IGBT 米勒拑位电路(一) 图.17 IGBT 米勒拑位电路(二)