IGBT工作原理解析

什么是IGBT？它的工作原理是什么？IGBT是元器件家族的成員之一，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(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。那么，IGBT是如何完成開(kāi)關(guān)過(guò)程的?

IGBT的開(kāi)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(kāi)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(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程比較復(fù)雜，如圖1為IGBT的開(kāi)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)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。

1. 開(kāi)通時(shí)間ton

開(kāi)通時(shí)間還可以分為兩個(gè)部分：開(kāi)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(kāi)始充電，VGE開(kāi)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(kāi)啟電壓VGE(th)后，集電極電流Ic則開(kāi)始上升。從VGE上升至VGE(th)開(kāi)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(kāi)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(kāi)通延遲時(shí)間td(on)與上升時(shí)間tr之和被為開(kāi)通時(shí)間ton。在整個(gè)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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，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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(méi)有明顯的下降。因此，從柵極—發(fā)射極電壓VCE降落到其開(kāi)通值的90%開(kāi)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。

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)。以上就是IGBT的一些描述，主要是它完成開(kāi)關(guān)過(guò)程。