IGBT的基础与运用

IGBT，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由MOSFET(输入级)和PNP晶体管(输出级)复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点(控制和响应)，又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点(功率级较为耐用)，频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内。

理想等效电路与实际等效电路如图所示：

IGBT 的静态特性一般用不到，暂时不用考虑，重点考虑动态特性(开关特性)。

动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取：

IGBT的开通过程

IGBT 在开通过程中，分为几段时间

1.与MOSFET类似的开通过程，也是分为三段的充电时间

2.只是在漏源DS电压下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和过程中增加了一段延迟时间。

在上面的表格中，定义了了：开通时间Ton，上升时间Tr和Tr.i

除了这两个时间以外，还有一个时间为开通延迟时间td.on:td.on=Ton-Tr.i

IGBT在关断过程

IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。

第一段是按照MOS管关断的特性的

第二段是在MOSFET关断后，PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放，造成漏极电流较长的尾部时间。

在上面的表格中，定义了了：关断时间Toff，下降时间Tf和Tf.i

除了表格中以外，还定义

trv为DS端电压的上升时间和关断延迟时间td(off)。

漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而总的关断时间可以称为toff=td(off)+trv十t(f)，td(off)+trv之和又称为存储时间。

从下面图中可看出详细的栅极电流和栅极电压，CE电流和CE电压的关系：

从另外一张图中细看MOS管与IGBT管栅极特性可能更有一个清楚的概念：

开启过程

关断过程

尝试去计算IGBT的开启过程，主要是时间和门电阻的散热情况。

C.GE 栅极-发射极电容

C.CE 集电极-发射极电容

C.GC 门级-集电极电容(米勒电容)

Cies = CGE + CGC 输入电容

Cres = CGC 反向电容

Coes = CGC + CCE 输出电容

根据充电的详细过程，可以下图所示的过程进行分析

对应的电流可简单用下图所示：

第1阶段：栅级电流对电容CGE进行充电，栅射电压VGE上升到开启阈值电压VGE(th)。这个过程电流很大，甚至可以达到几安培的瞬态电流。在这个阶段，集电极是没有电流的，极电压也没有变化，这段时间也就是死区时间，由于只对GE电容充电，相对来说这是比较容易计算的，由于我们采用电压源供电，这段曲线确实是一阶指数曲线。

第2阶段：栅极电流对Cge和Cgc电容充电，IGBT的开始开启的过程了，集电极电流开始增加，达到最大负载电流电流IC，由于存在二极管的反向恢复电流，因此这个过程与MOS管的过程略有不同，同时栅极电压也达到了米勒平台电压。

第3阶段：栅极电流对Cge和Cgc电容充电，这个时候VGE是完全不变的，值得我们注意的是Vce的变化非常快。

第4阶段：栅极电流对Cge和Cgc电容充电，随着Vce缓慢变化成稳态电压，米勒电容也随着电压的减小而增大。Vge仍旧维持在米勒平台上。

第5阶段：这个时候栅极电流继续对Cge充电，Vge电压开始上升，整个IGBT完全打开。

我的一个同事在做这个将整个过程等效为一阶过程。

如果以这个电路作为驱动电路的话：

驱动的等效电路可以表示为：

利用RC的充放电曲线可得出时间和电阻的功率。

这么算的话，就等于用指数曲线，代替了整个上升过程，结果与等效的过程还是有些差距的。

不过由于C.GE，C.CE，C.GC是变化的，而且电容两端的电压时刻在变化，我们无法完全整理出一条思路来。

很多供应商都是推荐使用Qg来做运算，计算方法也可以整理出来，唯一的变化在于Qg是在一定条件下测定的，我们并不知道这种做法的容差是多少。

我觉得这种做法的最大的问题是把整个Tsw全部作为充放电的时间，对此还是略有些疑惑的。