IGBT的基礎(chǔ)與運(yùn)用

IGBT，中文名字為絕緣柵雙極型晶體管，它是由MOSFET(輸入級(jí))和PNP晶體管(輸出級(jí))復(fù)合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開關(guān)速度快的特點(diǎn)(控制和響應(yīng))，又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(diǎn)(功率級(jí)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(nèi)。

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(開關(guān)特性)。

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

IGBT的開通過程

IGBT 在開通過程中，分為幾段時(shí)間

1.與MOSFET類似的開通過程，也是分為三段的充電時(shí)間

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

在上面的表格中，定義了了：開通時(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)間為開通延遲時(shí)間td.on:td.on=Ton-Tr.i

IGBT在關(guān)斷過程

IGBT在關(guān)斷過程中，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(chǔ)的電荷難以迅速釋放，造成漏極電流較長(zhǎng)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)間可以稱為toff=td(off)+trv十t(f)，td(off)+trv之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。

從下面圖中可看出詳細(xì)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(xì)看MOS管與IGBT管柵極特性可能更有一個(gè)清楚的概念：

開啟過程

關(guān)斷過程

嘗試去計(jì)算IGBT的開啟過程，主要是時(shí)間和門電阻的散熱情況。

C.GE 柵極-發(fā)射極電容

C.CE 集電極-發(fā)射極電容

C.GC 門級(jí)-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(jù)充電的詳細(xì)過程，可以下圖所示的過程進(jìn)行分析

對(duì)應(yīng)的電流可簡(jiǎn)單用下圖所示：

第1階段：柵級(jí)電流對(duì)電容CGE進(jìn)行充電，柵射電壓VGE上升到開啟閾值電壓VGE(th)。這個(gè)過程電流很大，甚至可以達(dá)到幾安培的瞬態(tài)電流。在這個(gè)階段，集電極是沒有電流的，極電壓也沒有變化，這段時(shí)間也就是死區(qū)時(shí)間，由于只對(duì)GE電容充電，相對(duì)來說這是比較容易計(jì)算的，由于我們采用電壓源供電，這段曲線確實(shí)是一階指數(shù)曲線。

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

第3階段：柵極電流對(duì)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(duì)Cge和Cgc電容充電，隨著Vce緩慢變化成穩(wěn)態(tài)電壓，米勒電容也隨著電壓的減小而增大。Vge仍舊維持在米勒平臺(tái)上。

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

我的一個(gè)同事在做這個(gè)將整個(gè)過程等效為一階過程。

如果以這個(gè)電路作為驅(qū)動(dòng)電路的話：

驅(qū)動(dòng)的等效電路可以表示為：

利用RC的充放電曲線可得出時(shí)間和電阻的功率。

這么算的話，就等于用指數(shù)曲線，代替了整個(gè)上升過程，結(jié)果與等效的過程還是有些差距的。

不過由于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，我們無法完全整理出一條思路來。

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

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