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一文读懂｜详解IGBT开关过程

发布人：传感器技术时间：2021-02-13 来源：工程师

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IGBT的开关过程主要是由栅极电压VGE控制的，由于栅极和****极之间存在着寄生电容艮，因此IGBT的开通与关断就相当于对CGE进行充电与放电。假设IGBT初始状态为关断状态，即VGE为负压VGC-，后级输出为阻感性负载，带有续流二极管。

由于寄生参数以及负载特性的影响，IGBT的实际开通与关断过程比较复杂，如图1为IGBT的开通关断过程示意图，图中栅极驱动波形较为理想化，集电极电流以及集电极-****极电压的波形大致上是实际波形，只有细节被理想化。

表1中列出了IGBT开关时间的定义，之后是对IGBT开关各个阶段的具体介绍。

开通时间ton

开通时间还可以分为两个部分：开通延迟时间td（on）与上升时间tr，在此时间内IGBT主要工作在主动区域。

当栅极和****极之向被加上一个阶跃式的正向驱动电压后，便对CGE开始充电，VGE开始上升，上升过程的时间常数由CGE和栅极驱动网路的电阻所决定，一旦VGE达到开启电压VGE（th）后，集电极电流IC则开始上升。从VGE上升至VGE（th）开始，到IC上升至负载电流IL的10%为止，这段时间被定义为开通延迟时间td（on）。
此后，集电极电流IC持续上升，到IC上升至负载电流IL的90%的时候，这段时间称为上升时间tr。开通延迟时间td（on）与上升时间tr之和被为开通时间ton。在整个开通时间内，可以看出电流逐渐上升而集电极—****极之间的压降仍然十分可观，因此主要的开通损耗产生于这一时间内。

IGBT导通

IGBT导通时，主要工作在饱和区域。IGBT开通后，集电极电流Ic仍然会继续上彝，并产生一个开通电流峰值，这个峰值是由阻感性负载及续流二极管共同产生的，峰值电流过大可能会损耗IGBT。IC在达到峰值之后会逐步下降至负载电流IC的水平，与此同时，VCE也下降至饱和压降水平，IGBT进入相对稳定的导通阶段。
在这个阶段中的主要参数是由负载确定的通态电流IL以及一个较低的饱和压降VCEsat，可以看出，工作在饱和区的IGBT的损耗并不是特别大。

关断时间toff

同开通时间ton一样，关断时间toff也可以分为两段：关断延迟时间td（off），以及下降时间tf。

当栅极和****极之间的正向电压被突然撤销并同时被加上一个负压后，VCE便开始下降。下降过程的时间常数仍然由输入电容CGE和栅极驱动回路的电阻所决定。同时，VCE开始上升。但只要VCE小于VCC，则续流二极管处于截止状态且不能接续电流。所以，IGBT的集电极电流IC在此期间并没有明显的下降。
因此，从栅极—****极电压VCE降落到其开通值的90%开始，直到集电极电流下降至负载电流的90%为止；这一段时间被定义为关断延迟时间td（off）。
一旦上升的IGBT的集电极—****极电压超过工作电压VCC时，续流二极管便处于正向偏置的状态下，负载电流便可以换流至续流二极管，集电极电流也因此下降口从集电极电流IC由负载电流k的90%下降至10%之间的时间称为下降时间tf。
从图1中可以看出，在IC下降的同时，VCE会产生一个大大超过工作电压Vcc的峰值，这主要是由负载电感引起的，其幅度与IGBT的关断速度呈线性关系。峰值电籮过高可能会造成IGBT的损坏。

关断延迟时间，与下降时间tf之和称为关断时间toff。

拖尾时间、拖尾电流

相比于MOSFET，IGBT采用一种新的方式降低了通态损耗，但是这一设计同时引发了拖尾电流It，拖尾电流持续衰减至关断状态漏电流的时间称为拖尾时间tt，拖尾电流严重的影响了关断损耗，因为在这段时间里，VCE已经上升至工作电压VCC以上。

拖尾电流的产生也告诉我们，即使在栅极给出了关断信号，IGBT也不能及时的完全关断，这是值得注意的，在设计驱动时要保证两个桥臂的驱动波形有足够的死区。

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