詳細(xì)解讀IGBT開關(guān)過程

IGBT的開關(guān)過程主要是由柵極電壓VGE控制的，由于柵極和發(fā)射極之間存在著寄生電容艮，因此IGBT的開通與關(guān)斷就相當(dāng)于對CGE進(jìn)行充電與放電。假設(shè)IGBT初始狀態(tài)為關(guān)斷狀態(tài)，即VGE為負(fù)壓VGC-，后級輸出為阻感性負(fù)載，帶有續(xù)流二極管。

由于寄生參數(shù)以及負(fù)載特性的影響，IGBT的實際開通與關(guān)斷過程比較復(fù)雜，如圖1為IGBT的開通關(guān)斷過程示意圖，圖中柵極驅(qū)動波形較為理想化，集電極電流以及集電極-發(fā)射極電壓的波形大致上是實際波形，只有細(xì)節(jié)被理想化。

圖1 IGBT開關(guān)時間示意圖

表1中列出了IGBT開關(guān)時間的定義，之后是對IGBT開關(guān)各個階段的具體介紹。

開通時間tonICBT開通時，VGE上升到0V后，VCE下降到最大值10%時為止的時間

開通延時時間td（on）IGBT開通時，從集電極電流上升到最大值的10%時開始，到VCE下降到最大值的10%為止的時間

上升時間trIGBT開通時，從集電極電流上升到最大值的10%時開始，到達(dá)90%為止的時間

關(guān)斷時間toffIGBT關(guān)斷時，從VCE下降到最大值的90%開始，到集電極電流在下降電流的切線上下降到10%為止的時間

下降時間tfIGBT關(guān)斷時，集電極電流從最大值的90%開始，在下降電流的切線上下降到10%為止的時間

拖尾時間tt到內(nèi)置二極管中的反向恢復(fù)電流消失為止所需要的時間

拖尾電流It到內(nèi)置二極管中正方向電流斷路時反方向流動的電流的峰值

表1 IGBT開關(guān)時間定義

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開通時間ton

開通時間還可以分為兩個部分：開通延遲時間td（on）與上升時間tr，在此時間內(nèi)IGBT主要工作在主動區(qū)域。

當(dāng)柵極和發(fā)射極之向被加上一個階躍式的正向驅(qū)動電壓后，便對CGE開始充電，VGE開始上升，上升過程的時間常數(shù)由CGE和柵極驅(qū)動網(wǎng)路的電阻所決定，一旦VGE達(dá)到開啟電壓VGE（th）后，集電極電流IC則開始上升。從VGE上升至VGE（th）開始，到IC上升至負(fù)載電流IL的10%為止，這段時間被定義為開通延遲時間td（on）。 此后，集電極電流IC持續(xù)上升，到IC上升至負(fù)載電流IL的90%的時候，這段時間稱為上升時間tr。開通延遲時間td（on）與上升時間tr之和被為開通時間ton。在整個開通時間內(nèi)，可以看出電流逐漸上升而集電極—發(fā)射極之間的壓降仍然十分可觀，因此主要的開通損耗產(chǎn)生于這一時間內(nèi)。

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IGBT導(dǎo)通

IGBT導(dǎo)通時，主要工作在飽和區(qū)域。IGBT開通后，集電極電流Ic仍然會繼續(xù)上彝，并產(chǎn)生一個開通電流峰值，這個峰值是由阻感性負(fù)載及續(xù)流二極管共同產(chǎn)生的，峰值電流過大可能會損耗IGBT。IC在達(dá)到峰值之后會逐步下降至負(fù)載電流IC的水平，與此同時，VCE也下降至飽和壓降水平，IGBT進(jìn)入相對穩(wěn)定的導(dǎo)通階段。 在這個階段中的主要參數(shù)是由負(fù)載確定的通態(tài)電流IL以及一個較低的飽和壓降VCEsat，可以看出，工作在飽和區(qū)的IGBT的損耗并不是特別大。

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關(guān)斷時間toff

同開通時間ton一樣，關(guān)斷時間toff也可以分為兩段：關(guān)斷延遲時間td（off），以及下降時間tf。

當(dāng)柵極和發(fā)射極之間的正向電壓被突然撤銷并同時被加上一個負(fù)壓后，VCE便開始下降。下降過程的時間常數(shù)仍然由輸入電容CGE和柵極驅(qū)動回路的電阻所決定。同時，VCE開始上升。但只要VCE小于VCC，則續(xù)流二極管處于截止?fàn)顟B(tài)且不能接續(xù)電流。所以，IGBT的集電極電流IC在此期間并沒有明顯的下降。 因此，從柵極—發(fā)射極電壓VCE降落到其開通值的90%開始，直到集電極電流下降至負(fù)載電流的90%為止；這一段時間被定義為關(guān)斷延遲時間td（off）。

一旦上升的IGBT的集電極—發(fā)射極電壓超過工作電壓VCC時，續(xù)流二極管便處于正向偏置的狀態(tài)下，負(fù)載電流便可以換流至續(xù)流二極管，集電極電流也因此下降口從集電極電流IC由負(fù)載電流k的90%下降至10%之間的時間稱為下降時間tf。 從圖1中可以看出，在IC下降的同時，VCE會產(chǎn)生一個大大超過工作電壓Vcc的峰值，這主要是由負(fù)載電感引起的，其幅度與IGBT的關(guān)斷速度呈線性關(guān)系。峰值電籮過高可能會造成IGBT的損壞。 關(guān)斷延遲時間，與下降時間tf之和稱為關(guān)斷時間toff。

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拖尾時間、拖尾電流

相比于MOSFET，IGBT采用一種新的方式降低了通態(tài)損耗，但是這一設(shè)計同時引發(fā)了拖尾電流It，拖尾電流持續(xù)衰減至關(guān)斷狀態(tài)漏電流的時間稱為拖尾時間tt，拖尾電流嚴(yán)重的影響了關(guān)斷損耗，因為在這段時間里，VCE已經(jīng)上升至工作電壓VCC以上。 拖尾電流的產(chǎn)生也告訴我們，即使在柵極給出了關(guān)斷信號，IGBT也不能及時的完全關(guān)斷，這是值得注意的，在設(shè)計驅(qū)動時要保證兩個橋臂的驅(qū)動波形有足夠的死區(qū)。

原文標(biāo)題：一文讀懂｜詳解IGBT開關(guān)過程

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