IGBT的開關(guān)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(guān)斷就相當(dāng)于對(duì)CGE進(jìn)行充電與放電。假設(shè)IGBT初始狀態(tài)為關(guān)斷狀態(tài)，即VGE為負(fù)壓VGC-，后級(jí)輸出為阻感性負(fù)載，帶有續(xù)流二極管。

由于寄生參數(shù)以及負(fù)載特性的影響，IGBT的實(shí)際開通與關(guān)斷過程比較復(fù)雜，如圖1為IGBT的開通關(guān)斷過程示意圖，圖中柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)際波形，只有細(xì)節(jié)被理想化。

圖1 IGBT開關(guān)時(shí)間示意圖

表1中列出了IGBT開關(guān)時(shí)間的定義，之后是對(duì)IGBT開關(guān)各個(gè)階段的具體介紹。

開通時(shí)間tonICBT開通時(shí)，VGE上升到0V后，VCE下降到最大值10%時(shí)為止的時(shí)間

開通延時(shí)時(shí)間td（on）IGBT開通時(shí)，從集電極電流上升到最大值的10%時(shí)開始，到VCE下降到最大值的10%為止的時(shí)間

上升時(shí)間trIGBT開通時(shí)，從集電極電流上升到最大值的10%時(shí)開始，到達(dá)90%為止的時(shí)間

關(guān)斷時(shí)間toffIGBT關(guān)斷時(shí)，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(shí)間

下降時(shí)間tfIGBT關(guān)斷時(shí)，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(shí)間

拖尾時(shí)間tt到內(nèi)置二極管中的反向恢復(fù)電流消失為止所需要的時(shí)間

拖尾電流It到內(nèi)置二極管中正方向電流斷路時(shí)反方向流動(dòng)的電流的峰值

表1 IGBT開關(guān)時(shí)間定義

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開通時(shí)間ton

開通時(shí)間還可以分為兩個(gè)部分：開通延遲時(shí)間td（on）與上升時(shí)間tr，在此時(shí)間內(nèi)IGBT主要工作在主動(dòng)區(qū)域。

當(dāng)柵極和發(fā)射極之向被加上一個(gè)階躍式的正向驅(qū)動(dòng)電壓后，便對(duì)CGE開始充電，VGE開始上升，上升過程的時(shí)間常數(shù)由CGE和柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)路的電阻所決定，一旦VGE達(dá)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(fù)載電流IL的10%為止，這段時(shí)間被定義為開通延遲時(shí)間td（on）。 此后，集電極電流IC持續(xù)上升，到IC上升至負(fù)載電流IL的90%的時(shí)候，這段時(shí)間稱為上升時(shí)間tr。開通延遲時(shí)間td（on）與上升時(shí)間tr之和被為開通時(shí)間ton。在整個(gè)開通時(shí)間內(nèi)，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(chǎn)生于這一時(shí)間內(nèi)。

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IGBT導(dǎo)通

IGBT導(dǎo)通時(shí)，主要工作在飽和區(qū)域。IGBT開通后，集電極電流Ic仍然會(huì)繼續(xù)上彝，并產(chǎn)生一個(gè)開通電流峰值，這個(gè)峰值是由阻感性負(fù)載及續(xù)流二極管共同產(chǎn)生的，峰值電流過大可能會(huì)損耗IGBT。IC在達(dá)到峰值之后會(huì)逐步下降至負(fù)載電流IC的水平，與此同時(shí)，VCE也下降至飽和壓降水平，IGBT進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的導(dǎo)通階段。 在這個(gè)階段中的主要參數(shù)是由負(fù)載確定的通態(tài)電流IL以及一個(gè)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(guān)斷時(shí)間toff

同開通時(shí)間ton一樣，關(guān)斷時(shí)間toff也可以分為兩段：關(guān)斷延遲時(shí)間td（off），以及下降時(shí)間tf。

當(dāng)柵極和發(fā)射極之間的正向電壓被突然撤銷并同時(shí)被加上一個(gè)負(fù)壓后，VCE便開始下降。下降過程的時(shí)間常數(shù)仍然由輸入電容CGE和柵極驅(qū)動(dòng)回路的電阻所決定。同時(shí)，VCE開始上升。但只要VCE小于VCC，則續(xù)流二極管處于截止?fàn)顟B(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(fù)載電流的90%為止；這一段時(shí)間被定義為關(guān)斷延遲時(shí)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(shí)，續(xù)流二極管便處于正向偏置的狀態(tài)下，負(fù)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(fù)載電流k的90%下降至10%之間的時(shí)間稱為下降時(shí)間tf。 從圖1中可以看出，在IC下降的同時(shí)，VCE會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大大超過工作電壓Vcc的峰值，這主要是由負(fù)載電感引起的，其幅度與IGBT的關(guān)斷速度呈線性關(guān)系。峰值電籮過高可能會(huì)造成IGBT的損壞。 關(guān)斷延遲時(shí)間，與下降時(shí)間tf之和稱為關(guān)斷時(shí)間toff。

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拖尾時(shí)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(shè)計(jì)同時(shí)引發(fā)了拖尾電流It，拖尾電流持續(xù)衰減至關(guān)斷狀態(tài)漏電流的時(shí)間稱為拖尾時(shí)間tt，拖尾電流嚴(yán)重的影響了關(guān)斷損耗，因?yàn)樵谶@段時(shí)間里，VCE已經(jīng)上升至工作電壓VCC以上。 拖尾電流的產(chǎn)生也告訴我們，即使在柵極給出了關(guān)斷信號(hào)，IGBT也不能及時(shí)的完全關(guān)斷，這是值得注意的，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)時(shí)要保證兩個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)波形有足夠的死區(qū)。

原文標(biāo)題：一文讀懂｜詳解IGBT開關(guān)過程

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