詳解IGBT開關(guān)過(guò)程
IGBT的開關(guān)過(guò)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(guò)程比較復(fù)雜,如圖1為IGBT的開通關(guān)斷過(guò)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。
| 開通時(shí)間 | ton | ICBT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 | tr | IGBT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 | toff | IGBT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 | tf | IGBT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 |
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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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)。
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