IGBT的開關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的開通與關斷就相當于對CGE進行充電與放電。假設IGBT初始狀態(tài)為關斷狀態(tài),即VGE為負壓VGC-,后級輸出為阻感性負載,帶有續(xù)流二極管。
由于寄生參數以及負載特性的影響,IGBT的實際開通與關斷過程比較復雜,如圖1為IGBT的開通關斷過程示意圖,圖中柵極驅動波形較為理想化,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,只有細節(jié)被理想化。
開通時間 | ton | ICBT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 | tr | IGBT開通時,從集電極電流上升到最大值的10%時開始,到達90%為止的時間 |
關斷時間 | toff | IGBT關斷時,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 | tf | IGBT關斷時,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 | 到內置二極管中的反向恢復電流消失為止所需要的時間 |
拖尾電流 | It | 到內置二極管中正方向電流斷路時反方向流動的電流的峰值 |
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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IGBT主要工作在主動區(qū)域。
當柵極和發(fā)射極之向被加上一個階躍式的正向驅動電壓后,便對CGE開始充電,VGE開始上升,上升過程的時間常數由CGE和柵極驅動網路的電阻所決定,一旦VGE達到開啟電壓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,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生于這一時間內。
2
IGBT導通
IGBT導通時,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,并產生一個開通電流峰值,這個峰值是由阻感性負載及續(xù)流二極管共同產生的,峰值電流過大可能會損耗IGBT。 IC在達到峰值之后會逐步下降至負載電流IC的水平,與此同時,VCE也下降至飽和壓降水平,IGBT進入相對穩(wěn)定的導通階段。
在這個階段中的主要參數是由負載確定的通態(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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關斷時間toff
同開通時間ton一樣,關斷時間toff也可以分為兩段:關斷延遲時間td(off),以及下降時間tf。
當柵極和發(fā)射極之間的正向電壓被突然撤銷并同時被加上一個負壓后,VCE便開始下降。下降過程的時間常數仍然由輸入電容CGE和柵極驅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)流二極管處于截止狀態(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載電流的90%為止;這一段時間被定義為關斷延遲時間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會產生一個大大超過工作電壓Vcc的峰值,這主要是由負載電感引起的,其幅度與IGBT的關斷速度呈線性關系。峰值電籮過高可能會造成IGBT的損壞。
關斷延遲時間,與下降時間tf之和稱為關斷時間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,但是這一設計同時引發(fā)了拖尾電流It,拖尾電流持續(xù)衰減至關斷狀態(tài)漏電流的時間稱為拖尾時間tt,拖尾電流嚴重的影響了關斷損耗,因為在這段時間里,VCE已經上升至工作電壓VCC以上。
拖尾電流的產生也告訴我們,即使在柵極給出了關斷信號,IGBT也不能及時的完全關斷,這是值得注意的,在設計驅動時要保證兩個橋臂的驅動波形有足夠的死區(qū)。
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