IGBT的基礎與運用

IGBT，中文名字為絕緣柵雙極型晶體管，它是由MOSFET(輸入級)和PNP晶體管(輸出級)復合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)(控制和響應)，又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(diǎn)(功率級較為耐用)，頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內。

理想等效電路與實(shí)際等效電路如圖所示：

IGBT 的靜態(tài)特性一般用不到，暫時(shí)不用考慮，重點(diǎn)考慮動(dòng)態(tài)特性(開(kāi)關(guān)特性)。

動(dòng)態(tài)特性的簡(jiǎn)易過(guò)程可從下面的表格和圖形中獲?。?/p>

IGBT的開(kāi)通過(guò)程

IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，分為幾段時(shí)間

1.與MOSFET類(lèi)似的開(kāi)通過(guò)程，也是分為三段的充電時(shí)間

2.只是在漏源DS電壓下降過(guò)程后期，PNP晶體管由放大區至飽和過(guò)程中增加了一段延遲時(shí)間。

在上面的表格中，定義了了：開(kāi)通時(shí)間Ton，上升時(shí)間Tr和Tr.i

除了這兩個(gè)時(shí)間以外，還有一個(gè)時(shí)間為開(kāi)通延遲時(shí)間td.on:td.on=Ton-Tr.i

IGBT在關(guān)斷過(guò)程

IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍?/p>

第一段是按照MOS管關(guān)斷的特性的

第二段是在MOSFET關(guān)斷后，PNP晶體管上存儲的電荷難以迅速釋放，造成漏極電流較長(cháng)的尾部時(shí)間。

在上面的表格中，定義了了：關(guān)斷時(shí)間Toff，下降時(shí)間Tf和Tf.i

除了表格中以外，還定義

trv為DS端電壓的上升時(shí)間和關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)。

漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而總的關(guān)斷時(shí)間可以稱(chēng)為toff=td(off)+trv十t(f)，td(off)+trv之和又稱(chēng)為存儲時(shí)間。

從下面圖中可看出詳細的柵極電流和柵極電壓，CE電流和CE電壓的關(guān)系：

從另外一張圖中細看MOS管與IGBT管柵極特性可能更有一個(gè)清楚的概念：

開(kāi)啟過(guò)程

關(guān)斷過(guò)程

嘗試去計算IGBT的開(kāi)啟過(guò)程，主要是時(shí)間和門(mén)電阻的散熱情況。

C.GE 柵極-發(fā)射極電容

C.CE 集電極-發(fā)射極電容

C.GC 門(mén)級-集電極電容(米勒電容)

Cies = CGE + CGC 輸入電容

Cres = CGC 反向電容

Coes = CGC + CCE 輸出電容

根據充電的詳細過(guò)程，可以下圖所示的過(guò)程進(jìn)行分析

對應的電流可簡(jiǎn)單用下圖所示：

第1階段：柵級電流對電容CGE進(jìn)行充電，柵射電壓VGE上升到開(kāi)啟閾值電壓VGE(th)。這個(gè)過(guò)程電流很大，甚至可以達到幾安培的瞬態(tài)電流。在這個(gè)階段，集電極是沒(méi)有電流的，極電壓也沒(méi)有變化，這段時(shí)間也就是死區時(shí)間，由于只對GE電容充電，相對來(lái)說(shuō)這是比較容易計算的，由于我們采用電壓源供電，這段曲線(xiàn)確實(shí)是一階指數曲線(xiàn)。

第2階段：柵極電流對Cge和Cgc電容充電，IGBT的開(kāi)始開(kāi)啟的過(guò)程了，集電極電流開(kāi)始增加，達到最大負載電流電流IC，由于存在二極管的反向恢復電流，因此這個(gè)過(guò)程與MOS管的過(guò)程略有不同，同時(shí)柵極電壓也達到了米勒平臺電壓。

第3階段：柵極電流對Cge和Cgc電容充電，這個(gè)時(shí)候VGE是完全不變的，值得我們注意的是Vce的變化非?？?。

第4階段：柵極電流對Cge和Cgc電容充電，隨著(zhù)Vce緩慢變化成穩態(tài)電壓，米勒電容也隨著(zhù)電壓的減小而增大。Vge仍舊維持在米勒平臺上。

第5階段：這個(gè)時(shí)候柵極電流繼續對Cge充電，Vge電壓開(kāi)始上升，整個(gè)IGBT完全打開(kāi)。

我的一個(gè)同事在做這個(gè)將整個(gè)過(guò)程等效為一階過(guò)程。

如果以這個(gè)電路作為驅動(dòng)電路的話(huà)：

驅動(dòng)的等效電路可以表示為：

利用RC的充放電曲線(xiàn)可得出時(shí)間和電阻的功率。

這么算的話(huà)，就等于用指數曲線(xiàn)，代替了整個(gè)上升過(guò)程，結果與等效的過(guò)程還是有些差距的。

不過(guò)由于C.GE，C.CE，C.GC是變化的，而且電容兩端的電壓時(shí)刻在變化，我們無(wú)法完全整理出一條思路來(lái)。

很多供應商都是推薦使用Qg來(lái)做運算，計算方法也可以整理出來(lái)，唯一的變化在于Qg是在一定條件下測定的，我們并不知道這種做法的容差是多少。

我覺(jué)得這種做法的最大的問(wèn)題是把整個(gè)Tsw全部作為充放電的時(shí)間，對此還是略有些疑惑的。