IGBT的開關時間說明詳細分析-IGBT與MOSFET的對比

IGBT介紹

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品；封裝后的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上；

IGBT模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節能環保等理念的推進，此類產品在市場上將越來越多見；

IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰略性新興產業，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。

IGBT的開關時間說明詳解

IGBT的開關時間說明，IGBT的開關過程主要是由柵極電壓VGE控制的，由于柵極和發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初始狀態為關斷狀態，即VGE為負壓VGC-，后級輸出為阻感性負載，帶有續流二極管。

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—發虧射極電壓的波形大致上是實際波形，只有細節被理想化。

表1中列出了IGBT開關時間的定義，之后是對IGBT開關各個階段的具體介紹。

1. 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主要工作在主動區域。

當柵極和發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，主要工作在飽和區域。

IGBT開通后，集電極電流Ic仍然會繼續上彝，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，ICBT進入相對穩定的導通階段。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，工作在飽和區的IGBT的損耗并不是特別大。

3. 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，則續流二極管處于截止狀態且不能接續電流。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—發射極電壓超過工作電壓VCC時，續流二極管便處于正向偏置的狀態下，負載電流便可以換流至續流二極管，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。

4. 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損耗，但是這一設計同時引發了拖尾電流It，拖尾電流持續衰減至關斷狀態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。

IGBT與MOSFET的對比

輸出特性與轉移特性：

IGBT的伏安特性是指以柵極電壓VGE為參變量時，集電極電流IC與集電極電壓VCE之間的關系曲線。IGBT的伏安特性與BJT的輸出特性相似，也可分為飽和區I、放大區II和擊穿區III三部分。IGBT作為開關器件穩態時主要工作在飽和導通區。IGBT的轉移特性是指集電極輸出電流IC與柵極電壓之間的關系曲線。它與MOSFET的轉移特性相同，當柵極電壓VGE小于開啟電壓VGE(th)時，IGBT處于關斷狀態。在IGBT導通后的大部分集電極電流范圍內，IC與VGE呈線性關系。

IGBT與MOSFET的對比：

MOSFET全稱功率場效應晶體管。它的三個極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。

主要優點：熱穩定性好、安全工作區大。

缺點：擊穿電壓低，工作電流小。

IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相結合的產物。它的三個極分別是集電極(C)、發射極(E)和柵極(G)。

特點：擊穿電壓可達1200V，集電極最大飽和電流已超過1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達250kVA以上，工作頻率可達20kHz。

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