一文读懂|详解IGBT开关过程
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IGBT的开关过程主要是由栅极电压VGE控制的,由于栅极和发射极之间存在着寄⽣电容⾉,因此IGBT的开通与关断就相当于对CGE进⾏充电与放电。假设IGBT初始状态为关断状态,即VGE为负压VGC-,后级输出为阻感性负载,带有续流⼆极管。
由于寄⽣参数以及负载特性的影响,IGBT的实际开通与关断过程⽐较复杂,如图1为IGBT的开通关断过程⽰意图,图中栅极驱动波形较为理想化,集电极电流以及集电极-发射极电压的波形⼤致上是实际波形,只有细节被理想化。
图1 IGBT开关时间⽰意图
表1中列出了IGBT开关时间的定义,之后是对IGBT开关各个阶段的具体介绍。
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开通时间ton ICBT开通时,VGE上升到0V后,VCE下降到最⼤值10%时为⽌的时间
开通延时时
td(on)IGBT开通时,从集电极电流上升到最⼤值的10%时开始,到VCE下降到最⼤值的10%为⽌的时间上升时间tr IGBT开通时,从集电极电流上升到最⼤值的10%时开始,到达90%为⽌的时间
关断时间toff IGBT关断时,从VCE下降到最⼤值的90%开始,到集电极电流在下降电流的切线上下降到10%为⽌的时间
下降时间tf IGBT关断时,集电极电流从最⼤值的90%开始,在下降电流的切线上下降到10%为⽌的时间
如何提高语言表达能力拖尾时间tt到内置⼆极管中的反向恢复电流消失为⽌所需要的时间
拖尾电流It到内置⼆极管中正⽅向电流断路时反⽅向流动的电流的峰值
表1 IGBT开关时间定义
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开通时间ton
开通时间还可以分为两个部分:开通延迟时间td(on)与上升时间tr,在此时间内IGBT主要⼯作在主动区域。
当栅极和发射极之向被加上⼀个阶跃式的正向驱动电压后,便对CGE开始充电,VGE开始上升,上升过程的时间常数由CGE和栅极驱动⽹路的电阻所决定,⼀旦VGE达到开启电压VGE(th)后,集电极电流IC则开始上升。从VGE上升⾄VGE(th)开始,到IC上升⾄负载电流IL的10%为⽌,这段时间被定义为开通延迟时间td(on)。
此后,集电极电流IC持续上升,到IC上升⾄负载电流IL的90%的时候,这段时间称为上升时间tr。开通延迟时间
td(on)与上升时间tr之和被为开通时间ton。在整个开通时间内,可以看出电流逐渐上升⽽集电极—发射极之间的压降仍然⼗分可观,因此主要的开通损耗产⽣于这⼀时间内。
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IGBT导通
IGBT导通时,主要⼯作在饱和区域。 IGBT开通后,集电极电流Ic仍然会继续上彝,并产⽣⼀个开通电流峰值,这个峰值是由阻感性负载及续流⼆极管共同产⽣的,峰值电流过⼤可能会损耗IGBT。IC在达到峰值之后会逐步下降⾄负载电
值是由阻感性负载及续流⼆极管共同产⽣的,峰值电流过⼤可能会损耗IGBT。IC在达到峰值之后会逐
步下降⾄负载电流IC的⽔平,与此同时,VCE也下降⾄饱和压降⽔平,IGBT进⼊相对稳定的导通阶段。
在这个阶段中的主要参数是由负载确定的通态电流IL以及⼀个较低的饱和压降VCEsat,可以看出,⼯作在饱和区的IGBT的损耗并不是特别⼤。
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关断时间toff
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同开通时间ton⼀样,关断时间toff也可以分为两段:关断延迟时间td(off),以及下降时间tf。
当栅极和发射极之间的正向电压被突然撤销并同时被加上⼀个负压后,VCE便开始下降。下降过程的时间常数仍然由输⼊电容CGE和栅极驱动回路的电阻所决定。同时,VCE开始上升。但只要VCE⼩于VCC,则续流⼆极管处于截⽌状态且不能接续电流。所以,IGBT的集电极电流IC在此期间并没有明显的下降。
因此,从栅极—发射极电压VCE降落到其开通值的90%开始,直到集电极电流下降⾄负载电流的90%为⽌;这⼀段时间被定义为关断延迟时间td(off)。
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⼀旦上升的IGBT的集电极—发射极电压超过⼯作电压VCC时,续流⼆极管便处于正向偏置的状态下,负载电流便可以换流⾄续流⼆极管,集电极电流也因此下降⼝从集电极电流IC由负载电流k的90%下降⾄10%之间的时间称为下降时间tf。
从图1中可以看出,在IC下降的同时,VCE会产⽣⼀个⼤⼤超过⼯作电压Vcc的峰值,这主要是由负载电感引起的,其幅度与IGBT的关断速度呈线性关系。峰值电籮过⾼可能会造成IGBT的损坏。
关断延迟时间,与下降时间tf之和称为关断时间toff。
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拖尾时间、拖尾电流
相⽐于MOSFET,IGBT采⽤⼀种新的⽅式降低了通态损耗,但是这⼀设计同时引发了拖尾电流It,拖尾电流持续衰减⾄关断状态漏电流的时间称为拖尾时间tt,拖尾电流严重的影响了关断损耗,因为在这段时间⾥,VCE已经上升⾄⼯作电压VCC以上。
拖尾电流的产⽣也告诉我们,即使在栅极给出了关断信号,IGBT也不能及时的完全关断,这是值得注意的,在设计驱动时要保证两个桥臂的驱动波形有⾜够的死区。

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