IGBT开关过程分析及驱动考虑

作者：Jackie Zhao    文章来源：http://www.igbt8.com/   
IGBT在二极管钳位感性负载条件下的电路如图1所示，该电路为IGBT常用电路，可作为IGBT开关特性的测试电路，评估IGBT的开通及关断行为。图2为综合考虑了二极管的恢复特性及杂散电感(Ls)得到的IGBT实际开关波形，可作为设计IGBT驱动电路的参考。首先我们设定IGBT运行在持续的稳态电流条件下，流经感性负载然后流过与感性负载并联的理想续流二极管。 IGBT的导通波形与MOSFET非常相像，IGBT的关断特性除了拖尾电流外也与MOSFET类似，下面逐个时间区域说明IGBT动作原理。
a.导通过程
t0时间段：
t0时间段内，门极电流i_G对输入寄生电容C_ge、C_gc充电，V_GE上升至阈值V_GE(th)。V_GE被认为线性上升，实际上是时间常数为R_G(C_ge+C_gc)的指数曲线。在此时间内，V_CE及i_C不变。导通延迟时间定义为从门极电压上升至V_GG+的10%开始到集电极电流i_C上升至Io的10%的为止。因而，大部分导通延迟时间处在t0时间段。
t1时间段：
当V_GE超过V_GE(th)时，栅氧化层下的基区形成沟道，电流开始导通。在此时间内，IGBT处在线性区，i_C随着V_GE而上升。i_C的上升与V_GE的上升有关，最终到达满载电流Io。在t1和t2时间段，V_CE的值相对于Vd略有下降，这是由于回路的杂散电感造成的电压V_LS=L_S*di_C/dt，产生在L_S两端，与Vd方向相反。当i_C上升时，V_CE下降的值取决于di_C/dt及L_S，形状随i_C形式而变化。
t2,t3时间段：
二极管电流i_D在t1时间段内开始下降，然而并不能立刻降至0A，因为存在反向恢复过程，电流会反向流动。反向恢复电流叠加至i_C上，使t2、t3时间段的i_C形式一样。此刻，二极管两端的反向电压增加，IGBT两端压降VCE下降，因为Cge在VCE较大时的值较小，VCE迅速下降，因而，此时的dV_CE/dt较大。在t3时间内，Cgc吸收及放电门极驱动电流，Cge放电。在t3时间段末尾，二极管的反向恢复过程结束。
t4时间段：
该段时间内，i_G向Cgc充电，V_GE维持在V_GE,IO，i_C维持在满载电流Io，而V_CE以 (V_GG-V_GE,Io)/(R_GCgc)的速度下降。V_CE大幅度下降并有一个拖尾电压，这是因为Cgc在低V_CE时的值较大。
t5时间段：
该段时间内V_GE再次以时间常数R_G(Cge+Cgc,miller)增加直到V_GG+，Cgc,miller为密勒电容，由于密勒效应随着V_CE的降低而上升。t5时间内，V_CE缓慢下降至集电极-发射极饱和电压，充分进入饱和状态。这是因为IGBT晶体管穿过线性区的速度比MOSFET慢，以及密勒电容Cgc,miller的影响。转载请注明出处：http://www.igbt8.com
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