应用指南 | IGBT7的dv/dt可控性
典型脉冲宽度调制（PWM）电压信号驱动的电机，逆变器输出脉冲电压变化率为dv/dt，通 过连接电缆加载到负载电机。脉冲电压的峰值等于逆变器直流母线电压VDC。电机端的峰值 电压高于逆变器的输出电压，可能会导致电机损坏。电机侧电压峰值的实际幅值受以下参数 影响。
- 电缆和电机的阻抗
- 电缆长度
- 直流母线变化率
- PWM脉冲类型
一般由PWM控制的电压源逆变器（VSI）通过电缆连到电机，将在电机端产生（部分）电压 反射，其原因是电缆和电机阻抗不匹配 。从电机侧反射到逆变器侧的电压又会反射到电机 侧，两个电压叠加，受信号传递时间影响，最终可能形成全反射电压2U，对电机侧造成较大 的电压应力。因此，制造商通常建议，400V电机的逆变器端在最坏的情况下不能超出5kV/ µs的dv/dt限值。
dv C E /dt的定义
对于沟槽型IGBT，导通期间的开关速度dv/dt随着负载电流和结温的降低而升高。在设置门极 电阻值时，通常考虑器件在10%的模块标称电流ICnom、25°C的结温及标称母线电压下的性 能。关断期间的开关速度dv/dt随着负载电流的增大而升高，因此设置关断门极电阻值时考虑 100%标称电流下的器件性能。
IGBT的开关速度被定义为dv/dt=ΔVCE/Δtr。电压和时间差可以用两种不同的方式来确定。最 常用的方法是取在直流母线电压的90%和10%之间的电压和时间差，如图2a所示。另一种方 法是确定一个20%母线电压的移动窗口，然后确定最大梯度，如图2b所示。
该定义被称为dv/dtmax，可被视为最坏情况下的选型。该定义对于评估EMI也有帮助。
请注意，曲线形状还取决于门极驱动的杂散电感、门极电阻值及试验装置中的寄生电容值。
图2 FS100R12W2T7在10% ICnom和Tvj=25°C时的
导通开关曲线示例：
a）dv/dt10-90定义 b）dv/dtmax定义
dv/dt的可控性
在进行工业驱动设计时，关键是要能按照电机绝缘要求或为满足EMI限制而调整电压变化率 dv/dt。为此，TRENCHSTOP™ IGBT7须具备高度的可控性。该可控性取决于器件通过调整 门极电阻值（RG）来改变dv/dt的能力。而这又能影响到总开关损耗（Etot）。
图3以模块FS100R12W2T7为例，描绘了IGBT的dv/dt与门极电阻RG的关系。在1.8Ω的标称 电阻（RG）下，关断dv/dt10-90已经低于5kV/µs，而导通dv/dt10-90非常接近5kV/µs。 随着RG的增大，导通dv/dt和关断dv/dt都下降。导通dv/dt随Rgon变化的幅度非常宽，在 2kV/µs与8kV/µs之间。这意味着，RG只要稍稍高于数据表中的标称RG，就能使dv/dt低于 5kV/µs。
图3 FS100R12W2T7的IGBT dv/dt
与门极电阻RG的关系
如何通过最优dv/dt选择RG
TRENCHSTOP™ IGBT7 数 据 表 中 只 提 供 了 在 10-90% 范 围 内 确 定 的 dv/dt （ dv/dt10-90 ） 值。在电机的寿命周期中，该dv/dt10-90的值必须低于特定的限值。数据表中的dv/dt曲线 分别展现了导通dv/dt及关断dv/dt与门极电阻RG的关系。导通dv/dt曲线是按照10%的标称 电流和室温绘制出的，而关断曲线是按照标称电流和室温绘制出的。需要注意的是，dv/dt 值——尤其是导通dv/dt——不是绝对的，它还与最终的试验装置有关。因此，它只能用作 参考，在最终应用时必须加以验证。
根据目标dv/dt，可以通过数据表中的曲线读取相应的RG值。无论何时，RG越大，dv/dt就 会越小。导通损耗Eon会随着导通门极电阻Rgon的增大而显著变大。要想降低功耗，最好尽 量选取较小的Rgon。由于IGBT7能够很好地控制导通dv/dt，所以可以利用较小的Rgon来降 低导通损耗，同时将导通dv/dt限定在所要求的范围以内。关断门极电阻Rgoff对关断损耗 Eoff的影响很小。可以选用较大的Rgoff来达到较低的dv/dt，而开关损耗并无明显增加。
附加门极电容的影响
IGBT的门极——发射极电容（CGE）及门极——集电极电容（CGC）都经过了优化，能让 IGBT7的dv/dt完全可控，并拥有最优化的开关波形。CGE设计得足够大，以避免寄生导通效 应。这使得IGBT7不再需要额外的门极电容。当RGon最小而RGoff最大时，是寄生导通的最坏 情况。额外的门极电容会增加门极振荡风险，也会增加门极驱动的功率需求。
更高的门极电荷
为 能 更 好 地 控 制 dv/dt 并 避 免 寄 生 导 通 效 应 ， IGBT7 比 上 一 代 的 IGBT4 有 更 高 的 门 极 电 荷 （QG）。因此需确保电源和驱动电路具有足够大的输出功率。可以通过下面的公式计算所需 的驱动功率（PGdr）。公式中使用的QG应根据所施加的驱动器输出电压进行选择。
PGdr = QG x（VGE(on) – VGE(off) x fsw
