IGBT的開關(guān)時(shí)間說明詳細(xì)分析-IGBT與MOSFET的對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)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(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上；

IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上將越來越多見；

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷追Q電力電子裝置的“CPU”，作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。

IGBT的開關(guān)時(shí)間說明詳解

IGBT的開關(guān)時(shí)間說明，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)虧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。

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。

1. 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)。

2. 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，ICBT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。

3. 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。

4. 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)。

IGBT與MOSFET的對(duì)比

輸出特性與轉(zhuǎn)移特性：

IGBT的伏安特性是指以柵極電壓VGE為參變量時(shí)，集電極電流IC與集電極電壓VCE之間的關(guān)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(qū)I、放大區(qū)II和擊穿區(qū)III三部分。IGBT作為開關(guān)器件穩(wěn)態(tài)時(shí)主要工作在飽和導(dǎo)通區(qū)。IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指集電極輸出電流IC與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵極電壓VGE小于開啟電壓VGE(th)時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，IC與VGE呈線性關(guān)系。

IGBT與MOSFET的對(duì)比：

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

主要優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。

缺點(diǎn)：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(jié)合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。

特點(diǎn)：擊穿電壓可達(dá)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(dá)250kVA以上，工作頻率可達(dá)20kHz。

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