IGBT的开关时间说明详细分析-IGBT与MOSFET的对比

IGBT介绍

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘(yuan)栅(zha)双极(ji)型晶(jing)体(ti)管(guan)，是由BJT(双极(ji)型三(san)极(ji)管(guan))和MOS(绝缘(yuan)栅(zha)型场效应(ying)管(guan))组成的(de)(de)复合全控型电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)式(shi)功(gong)(gong)率(lv)半(ban)导体(ti)器件, 兼有MOSFET的(de)(de)高输入(ru)阻抗和GTR的(de)(de)低(di)(di)导通(tong)压(ya)(ya)(ya)降(jiang)(jiang)两(liang)方面的(de)(de)优(you)点。GTR饱(bao)和压(ya)(ya)(ya)降(jiang)(jiang)低(di)(di)，载流(liu)(liu)密度大(da)，但驱(qu)(qu)动(dong)(dong)电(dian)(dian)流(liu)(liu)较大(da)；MOSFET驱(qu)(qu)动(dong)(dong)功(gong)(gong)率(lv)很小(xiao)，开(kai)关速度快，但导通(tong)压(ya)(ya)(ya)降(jiang)(jiang)大(da)，载流(liu)(liu)密度小(xiao)。IGBT综合了(le)以上(shang)两(liang)种器件的(de)(de)优(you)点，驱(qu)(qu)动(dong)(dong)功(gong)(gong)率(lv)小(xiao)而饱(bao)和压(ya)(ya)(ya)降(jiang)(jiang)低(di)(di)。非常(chang)适合应(ying)用于直流(liu)(liu)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)为600V及以上(shang)的(de)(de)变流(liu)(liu)系统如交流(liu)(liu)电(dian)(dian)机(ji)、变频器、开(kai)关电(dian)(dian)源(yuan)、照明电(dian)(dian)路、牵引传动(dong)(dong)等(deng)领(ling)域。

IGBT模(mo)块是由IGBT（绝缘(yuan)栅双(shuang)极型晶体管芯(xin)(xin)片(pian)）与FWD（续流(liu)二极管芯(xin)(xin)片(pian)）通过特定的电路桥接(jie)封装而成(cheng)的模(mo)块化半导体产品；封装后的IGBT模(mo)块直接(jie)应用(yong)于变频器(qi)、UPS不间断(duan)电源(yuan)等设(she)备上；

IGBT模块(kuai)具有节能(neng)、安装维修方便、散(san)热(re)稳(wen)定等(deng)特点；当前市(shi)场上销售(shou)的(de)(de)多(duo)为此类模块(kuai)化产品(pin)，一(yi)般(ban)所说的(de)(de)IGBT也指(zhi)IGBT模块(kuai)；随着节能(neng)环保等(deng)理念(nian)的(de)(de)推进(jin)，此类产品(pin)在市(shi)场上将越来越多(duo)见；

IGBT是(shi)能(neng)源变换与传输(shu)的核心器件，俗称(cheng)电(dian)力电(dian)子装(zhuang)置的“CPU”，作为(wei)国家战略(lve)性新兴产业，在(zai)轨道(dao)交通、智能(neng)电(dian)网、航空航天、电(dian)动(dong)汽车与新能(neng)源装(zhuang)备等领域应(ying)用(yong)极广。

IGBT的开关时间说明详解

IGBT的(de)开关(guan)时间(jian)说明，IGBT的(de)开关(guan)过程主要是由栅极电压(ya)VGE控制的(de)，由于栅极和发射极之间(jian)存在着寄生电容艮，因此IGBT的(de)开通(tong)与(yu)关(guan)断就相(xiang)当于对CGE进行充电与(yu)放电。假设(she)IGBT初始状态为关(guan)断状态，即VGE为负(fu)压(ya)VGC-，后(hou)级输(shu)出为阻感(gan)性负(fu)载，带有(you)续(xu)流(liu)二极管。

由于(yu)寄生参(can)数以(yi)及负载特性的影响，IGBT的实际开(kai)通与关断过程(cheng)比较复(fu)杂，如图(tu)(tu)1为IGBT的开(kai)通关断过程(cheng)示意图(tu)(tu)，图(tu)(tu)中栅极(ji)驱动波形(xing)(xing)较为理(li)想(xiang)化，集电极(ji)电流以(yi)及集电极(ji)—发亏射极(ji)电压的波形(xing)(xing)大致上(shang)是(shi)实际波形(xing)(xing)，只有细(xi)节被理(li)想(xiang)化。

表1中列出了IGBT开(kai)关时(shi)间的(de)定义，之(zhi)后是对(dui)IGBT开(kai)关各个(ge)阶段的(de)具体介(jie)绍。

1. 开通时间ton

开通时(shi)间(jian)还可以分为两(liang)个部分：开通延迟时(shi)间(jian)td（on）与上升时(shi)间(jian)tr，在此(ci)时(shi)间(jian)内IGBT主(zhu)要工作在主(zhu)动区(qu)域。

当栅极和发(fa)射(she)极之向被(bei)加上(shang)(shang)(shang)一个(ge)阶跃(yue)式的(de)(de)正(zheng)向驱动电(dian)压后，便对CGE开(kai)(kai)(kai)始充电(dian)，VGE开(kai)(kai)(kai)始上(shang)(shang)(shang)升(sheng)(sheng)(sheng)，上(shang)(shang)(shang)升(sheng)(sheng)(sheng)过程的(de)(de)时间(jian)常数由CGE和栅极驱动网路的(de)(de)电(dian)阻(zu)所决定(ding)，一旦’VGE达到(dao)开(kai)(kai)(kai)启电(dian)压VGE（th）后，集电(dian)极电(dian)流Ic则开(kai)(kai)(kai)始上(shang)(shang)(shang)升(sheng)(sheng)(sheng)。从(cong)VGE上(shang)(shang)(shang)升(sheng)(sheng)(sheng)至VGE(th）开(kai)(kai)(kai)始，到(dao)IC上(shang)(shang)(shang)升(sheng)(sheng)(sheng)至负载(zai)电(dian)流IL的(de)(de)10%为止，这段时间(jian)被(bei)定(ding)义为开(kai)(kai)(kai)通延迟时间(jian)td（on）。

此后，集(ji)电极(ji)(ji)电流(liu)Ic持续(xu)上(shang)(shang)升，到Ic上(shang)(shang)升至负载(zai)电流(liu)IL的90%的时(shi)(shi)候，这段(duan)时(shi)(shi)间(jian)称为上(shang)(shang)升时(shi)(shi)间(jian)tr。开通(tong)(tong)延(yan)迟时(shi)(shi)间(jian)td（on）与(yu)上(shang)(shang)升时(shi)(shi)间(jian)tr之和被为开通(tong)(tong)时(shi)(shi)间(jian)ton。在整个开通(tong)(tong)时(shi)(shi)间(jian)内(nei)(nei)，可以看出(chu)电流(liu)逐渐上(shang)(shang)升而集(ji)电极(ji)(ji)—发射极(ji)(ji)之间(jian)的压(ya)降仍然十分可观，因此主要的开通(tong)(tong)损耗产生于(yu)这一时(shi)(shi)间(jian)内(nei)(nei)。

2. IGBT导通

IGBT导通时，主要工作在(zai)饱和区域。

IGBT开(kai)通后，集电(dian)极电(dian)流(liu)(liu)Ic仍(reng)然(ran)会(hui)继续上彝，并(bing)产(chan)生一(yi)个(ge)(ge)开(kai)通电(dian)流(liu)(liu)峰(feng)值(zhi)，这个(ge)(ge)峰(feng)值(zhi)是由(you)阻感(gan)性负载(zai)及续流(liu)(liu)二极管共(gong)同(tong)产(chan)生的(de)(de)(de)，峰(feng)值(zhi)电(dian)流(liu)(liu)过(guo)大可能(neng)会(hui)损耗IGBT。Ic在达到峰(feng)值(zhi)之后会(hui)逐步下降(jiang)(jiang)至负载(zai)电(dian)流(liu)(liu)Ic的(de)(de)(de)水平，与此同(tong)时，VCE也下降(jiang)(jiang)至饱(bao)和压降(jiang)(jiang)水平，ICBT进(jin)入(ru)相对(dui)稳定的(de)(de)(de)导(dao)通阶(jie)段(duan)(duan)。在这个(ge)(ge)阶(jie)段(duan)(duan)中的(de)(de)(de)主要参数(shu)是由(you)负载(zai)确(que)定的(de)(de)(de)通态电(dian)流(liu)(liu)IL以及一(yi)个(ge)(ge)较低的(de)(de)(de)饱(bao)和压降(jiang)(jiang)VCEsat，可以看出，工作(zuo)在饱(bao)和区的(de)(de)(de)IGBT的(de)(de)(de)损耗并(bing)不是特别(bie)大。

3. 关断时间toff

同开通时间(jian)ton一样，关(guan)断(duan)时间(jian)toff也可以(yi)分为两段：关(guan)断(duan)延迟时间(jian)td（off），以(yi)及下(xia)降时间(jian)tf。

当栅(zha)极和发射极之(zhi)间的(de)正向电(dian)压被(bei)突然撤(che)销并(bing)同(tong)时(shi)被(bei)加上一(yi)个负压后，VCE便(bian)开始(shi)下(xia)降(jiang)。下(xia)降(jiang)过程(cheng)的(de)时(shi)间常(chang)数仍然由输(shu)入电(dian)容(rong)CGE和栅(zha)极驱(qu)动(dong)回(hui)路的(de)电(dian)阻所决定。同(tong)时(shi)，VCE开始(shi)上升。但只要(yao)VCE小于(yu)VCC，则续流二极管处(chu)于(yu)截止状(zhuang)态且不(bu)能(neng)接续电(dian)流。所以，IGBT的(de)集(ji)电(dian)极电(dian)流Ic在此期(qi)间并(bing)没有明显的(de)下(xia)降(jiang)。因此，从(cong)栅(zha)极—发射极电(dian)压VCE降(jiang)落到(dao)其开通值(zhi)的(de)90%开始(shi)，直(zhi)到(dao)集(ji)电(dian)极电(dian)流下(xia)降(jiang)至负载电(dian)流的(de)90%为止；这(zhei)一(yi)段时(shi)间被(bei)定义为关断延迟(chi)时(shi)间td（off）。

一(yi)旦(dan)上(shang)升的(de)(de)IGBT的(de)(de)集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)—发射极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压超过(guo)工作电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压VCC时(shi)，续流(liu)二极(ji)(ji)管(guan)便(bian)处于正(zheng)向偏(pian)置的(de)(de)状态下(xia)(xia)(xia)，负载电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)便(bian)可以换流(liu)至续流(liu)二极(ji)(ji)管(guan)，集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)也因此(ci)下(xia)(xia)(xia)降(jiang)(jiang)口从集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)IC由负载电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)k的(de)(de)90%下(xia)(xia)(xia)降(jiang)(jiang)至10%之(zhi)间的(de)(de)时(shi)间称为下(xia)(xia)(xia)降(jiang)(jiang)时(shi)间tf。从图(tu)1中可以看出，在IC下(xia)(xia)(xia)降(jiang)(jiang)的(de)(de)同(tong)时(shi)，VCE会(hui)产生(sheng)一(yi)个大(da)大(da)超过(guo)工作电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压Vcc的(de)(de)峰值，这(zhei)主要是由负载电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)引起的(de)(de)，其幅度与IGBT的(de)(de)关断速(su)度呈线性关系。峰值电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)籮(luo)过(guo)高(gao)可能(neng)会(hui)造成IGBT的(de)(de)损坏(huai)。

关断延(yan)迟时(shi)(shi)间，与下降时(shi)(shi)间tf 之和称为(wei)关断时(shi)(shi)间toff。

4. 拖(tuo)尾时间(jian)、拖(tuo)尾电流

相比于MOSFET，IGBT采用(yong)一种新的(de)方式降低了(le)通(tong)态损耗(hao)(hao)，但是(shi)这(zhei)一设计同时(shi)(shi)(shi)引发了(le)拖(tuo)尾(wei)(wei)电流(liu)It，拖(tuo)尾(wei)(wei)电流(liu)持续衰(shuai)减至关(guan)断(duan)状态漏电流(liu)的(de)时(shi)(shi)(shi)间(jian)(jian)称为拖(tuo)尾(wei)(wei)时(shi)(shi)(shi)间(jian)(jian)tt，拖(tuo)尾(wei)(wei)电流(liu)严重的(de)影响了(le)关(guan)断(duan)损耗(hao)(hao)，因为在(zai)这(zhei)段时(shi)(shi)(shi)间(jian)(jian)里，VCE已(yi)经上(shang)升至工(gong)作电压VCC以上(shang)。拖(tuo)尾(wei)(wei)电流(liu)的(de)产生也告诉我们，即使在(zai)栅极给出了(le)关(guan)断(duan)信号，IGBT也不能及时(shi)(shi)(shi)的(de)完全(quan)关(guan)断(duan)，这(zhei)是(shi)值得注意的(de)，在(zai)设计驱(qu)动(dong)时(shi)(shi)(shi)要保(bao)证两个(ge)桥臂的(de)驱(qu)动(dong)波形有足够(gou)的(de)死区。

IGBT与MOSFET的对比

输出特性与转移特性：

IGBT的(de)(de)伏(fu)安特性(xing)(xing)(xing)是指以栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)压VGE为参(can)变量时，集电(dian)(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)IC与(yu)集电(dian)(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)(dian)压VCE之间(jian)的(de)(de)关(guan)系曲(qu)线。IGBT的(de)(de)伏(fu)安特性(xing)(xing)(xing)与(yu)BJT的(de)(de)输(shu)出(chu)特性(xing)(xing)(xing)相似(si)，也可分(fen)为饱和(he)(he)区(qu)I、放大区(qu)II和(he)(he)击穿(chuan)区(qu)III三(san)部分(fen)。IGBT作为开关(guan)器(qi)件稳态时主(zhu)要工作在饱和(he)(he)导通(tong)区(qu)。IGBT的(de)(de)转移(yi)特性(xing)(xing)(xing)是指集电(dian)(dian)(dian)极(ji)输(shu)出(chu)电(dian)(dian)(dian)流(liu)IC与(yu)栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)压之间(jian)的(de)(de)关(guan)系曲(qu)线。它(ta)与(yu)MOSFET的(de)(de)转移(yi)特性(xing)(xing)(xing)相同，当栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)压VGE小于开启电(dian)(dian)(dian)压VGE(th)时，IGBT处于关(guan)断状(zhuang)态。在IGBT导通(tong)后的(de)(de)大部分(fen)集电(dian)(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)范围内，IC与(yu)VGE呈(cheng)线性(xing)(xing)(xing)关(guan)系。

IGBT与MOSFET的对比：

MOSFET全称功率场效(xiao)应晶(jing)体(ti)管。它(ta)的三个极(ji)分(fen)别是源极(ji)(S)、漏(lou)极(ji)(D)和栅(zha)极(ji)(G)。

主要优点：热稳(wen)定性好、安全工作区(qu)大(da)。

缺点(dian)：击穿电压低，工作电流小。

IGBT全称绝缘栅双极(ji)晶体管(guan)，是(shi)MOSFET和(he)GTR(功(gong)率(lv)晶管(guan))相结(jie)合的(de)产物。它的(de)三(san)个极(ji)分别是(shi)集(ji)电极(ji)(C)、发射极(ji)(E)和(he)栅极(ji)(G)。

特点：击穿电(dian)压可达(da)(da)1200V，集电(dian)极最大饱和(he)电(dian)流(liu)已超过1500A。由IGBT作为(wei)逆变器件的变频器的容(rong)量达(da)(da)250kVA以上，工作频率可达(da)(da)20kHz。

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