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器件驅動功率小和開關速度快的特點(控制和響應)，又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(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。

理想等效電路與實際等效電路如圖所示：

IGBT 的靜態特性一般用不到，暫時不用考慮，重點考慮動態特性(開關特性)。

動態特性的簡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，分為幾段時間

1.與MOSFET類似的開通過程，也是分為三段的充電時間

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

在上面的表格中，定義了了：開通時間Ton，上升時間Tr和Tr.i

除了這兩個時間以外，還有一個時間為開通延遲時間td.on:td.on=Ton-Tr.i

IGBT在關斷過程

IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。

第一段是按照MOS管關斷的特性的

第二段是在MOSFET關斷后，PNP晶體管上存儲的電荷難以迅速釋放，造成漏極電流較長的尾部時間。

在上面的表格中，定義了了：關斷時間Toff，下降時間Tf和Tf.i

除了表格中以外，還定義

trv為DS端電壓的上升時間和關斷延遲時間td(off)。

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

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清楚的概念：

開啟過程

關斷過程

嘗試去計算IGBT的開啟過程，主要是時間和門電阻的散熱情況。

C.GE 柵極-發射極電容

C.CE 集電極-發射極電容

C.GC 門級-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

根據充電的詳細過程，可以下圖所示的過程進行分析

對應的電流可簡單用下圖所示：

第1階段：柵級電流對電容CGE進行充電，柵射電壓VGE上升到開啟閾值電壓VGE(th)。這個過程電流很大，甚至可以達到幾安培的瞬態電流。在這個階段，集電極是沒有電流的，極電壓也沒有變化，這段時間也就是死區時間，由于只對GE電容充電，相對來說這是比較容易計算的，由于我們采用電壓源供電，這段曲線確實是一階指數曲線。

第2階段：柵極電流對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，因此這個過程與MOS管的過程略有不同，同時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，這個時候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Vce緩慢變化成穩態電壓，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上。

第5階段：這個時候柵極電流繼續對Cge充電，Vge電壓開始上升，整個IGBT完全打開。

我的一個同事在做這個將整個過程等效為一階過程。

如果以這個電路作為驅動電路的話：

驅動的等效電路可以表示為：

利用RC的充放電曲線可得出時間和電阻的功率。

這么算的話，就等于用指數曲線，代替了整個上升過程，結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刻在變化，我們無法完全整理出一條思路來。

很多供應商都是推薦使用Qg來做運算，計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Tsw全部作為充放電的時間，對此還是略有些疑惑的。