IGBT的開關時間說明詳細分析-IGBT與MOSFET的對比

IGBT介紹

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品；封裝后的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上；

IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進，此類產品在市場上將越來越多見；

IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。

IGBT的開關時間說明詳解

IGBT的開關時間說明，IGBT的開關過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的開通與關斷就相當于對CGE進行充電與放電。假設IGBT初始狀態(tài)為關斷狀態(tài)，即VGE為負壓VGC-，后級輸出為阻感性負載，帶有續(xù)流二極管。

由于寄生參數以及負載特性的影響，IGBT的實際開通與關斷過程比較復雜，如圖1為IGBT的開通關斷過程示意圖，圖中柵極驅動波形較為理想化，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際波形，只有細節(jié)被理想化。

表1中列出了IGBT開關時間的定義，之后是對IGBT開關各個階段的具體介紹。

1. 開通時間ton

開通時間還可以分為兩個部分：開通延遲時間td（on）與上升時間tr，在此時間內IGBT主要工作在主動區(qū)域。

當柵極和發(fā)射極之向被加上一個階躍式的正向驅動電壓后，便對CGE開始充電，VGE開始上升，上升過程的時間常數由CGE和柵極驅動網路的電阻所決定，一旦’VGE達到開啟電壓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上升至負載電流IL的10%為止，這段時間被定義為開通延遲時間td（on）。

此后，集電極電流Ic持續(xù)上升，到Ic上升至負載電流IL的90%的時候，這段時間稱為上升時間tr。開通延遲時間td（on）與上升時間tr之和被為開通時間ton。在整個開通時間內，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生于這一時間內。

2. IGBT導通

IGBT導通時，主要工作在飽和區(qū)域。

IGBT開通后，集電極電流Ic仍然會繼續(xù)上彝，并產生一個開通電流峰值，這個峰值是由阻感性負載及續(xù)流二極管共同產生的，峰值電流過大可能會損耗IGBT。Ic在達到峰值之后會逐步下降至負載電流Ic的水平，與此同時，VCE也下降至飽和壓降水平，ICBT進入相對穩(wěn)定的導通階段。在這個階段中的主要參數是由負載確定的通態(tài)電流IL以及一個較低的飽和壓降VCEsat，可以看出，工作在飽和區(qū)的IGBT的損耗并不是特別大。

3. 關斷時間toff

同開通時間ton一樣，關斷時間toff也可以分為兩段：關斷延遲時間td（off），以及下降時間tf。

當柵極和發(fā)射極之間的正向電壓被突然撤銷并同時被加上一個負壓后，VCE便開始下降。下降過程的時間常數仍然由輸入電容CGE和柵極驅動回路的電阻所決定。同時，VCE開始上升。但只要VCE小于VCC，則續(xù)流二極管處于截止狀態(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載電流的90%為止；這一段時間被定義為關斷延遲時間td（off）。

一旦上升的IGBT的集電極—發(fā)射極電壓超過工作電壓VCC時，續(xù)流二極管便處于正向偏置的狀態(tài)下，負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由負載電流k的90%下降至10%之間的時間稱為下降時間tf。從圖1中可以看出，在IC下降的同時，VCE會產生一個大大超過工作電壓Vcc的峰值，這主要是由負載電感引起的，其幅度與IGBT的關斷速度呈線性關系。峰值電籮過高可能會造成IGBT的損壞。

關斷延遲時間，與下降時間tf 之和稱為關斷時間toff。

4. 拖尾時間、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，但是這一設計同時引發(fā)了拖尾電流It，拖尾電流持續(xù)衰減至關斷狀態(tài)漏電流的時間稱為拖尾時間tt，拖尾電流嚴重的影響了關斷損耗，因為在這段時間里，VCE已經上升至工作電壓VCC以上。拖尾電流的產生也告訴我們，即使在柵極給出了關斷信號，IGBT也不能及時的完全關斷，這是值得注意的，在設計驅動時要保證兩個橋臂的驅動波形有足夠的死區(qū)。

IGBT與MOSFET的對比

輸出特性與轉移特性：

IGBT的伏安特性是指以柵極電壓VGE為參變量時，集電極電流IC與集電極電壓VCE之間的關系曲線。IGBT的伏安特性與BJT的輸出特性相似，也可分為飽和區(qū)I、放大區(qū)II和擊穿區(qū)III三部分。IGBT作為開關器件穩(wěn)態(tài)時主要工作在飽和導通區(qū)。IGBT的轉移特性是指集電極輸出電流IC與柵極電壓之間的關系曲線。它與MOSFET的轉移特性相同，當柵極電壓VGE小于開啟電壓VGE(th)時，IGBT處于關斷狀態(tài)。在IGBT導通后的大部分集電極電流范圍內，IC與VGE呈線性關系。

IGBT與MOSFET的對比：

MOSFET全稱功率場效應晶體管。它的三個極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。

主要優(yōu)點：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。

缺點：擊穿電壓低，工作電流小。

IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相結合的產物。它的三個極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。

特點：擊穿電壓可達1200V，集電極最大飽和電流已超過1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達250kVA以上，工作頻率可達20kHz。

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