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[導(dǎo)讀]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CGE進行充電與放電。



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CGE進行充電與放電。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(shù)以及負載特性的影響,IGBT的實際開通與關(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。

圖1 IGBT開關(guān)時間示意圖
表1中列出了IGBT開關(guān)時間的定義,之后是對IGBT開關(guān)各個階段的具體介紹。


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(guān)斷時間 toff IGBT關(guān)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(guān)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(nèi)置二極管中的反向恢復(fù)電流消失為止所需要的時間
拖尾電流 It 到內(nèi)置二極管中正方向電流斷路時反方向流動的電流的峰值
表1 IGBT開關(guān)時間定義

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(nèi)IGBT主要工作在主動區(qū)域。
當(dāng)柵極和發(fā)射極之向被加上一個階躍式的正向驅(qū)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(shù)由CGE和柵極驅(qū)動網(wǎng)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(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)生于這一時間內(nèi)。

2

IGBT導(dǎo)通
IGBT導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)通階段。
在這個階段中的主要參數(shù)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。

3

關(guān)斷時間toff
同開通時間ton一樣,關(guān)斷時間toff也可以分為兩段:關(guān)斷延遲時間td(off),以及下降時間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被加上一個負壓后,VCE便開始下降。下降過程的時間常數(shù)仍然由輸入電容CGE和柵極驅(qū)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?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載電流的90%為止;這一段時間被定義為關(guān)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(chǎn)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(guān)斷速度呈線性關(guān)系。峰值電籮過高可能會造成IGBT的損壞。
關(guān)斷延遲時間,與下降時間tf之和稱為關(guān)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(tài)損耗,但是這一設(shè)計同時引發(fā)了拖尾電流It,拖尾電流持續(xù)衰減至關(guān)斷狀態(tài)漏電流的時間稱為拖尾時間tt,拖尾電流嚴(yán)重的影響了關(guān)斷損耗,因為在這段時間里,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,IGBT也不能及時的完全關(guān)斷,這是值得注意的,在設(shè)計驅(qū)動時要保證兩個橋臂的驅(qū)動波形有足夠的死區(qū)。

END

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電源系統(tǒng)設(shè)計

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