IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間說(shuō)明詳細分析-IGBT與MOSFET的對比-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-01-10
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(chǎng)效應管)組成的復合全控型電壓驅動(dòng)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(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動(dòng)電流較大；MOSFET驅動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)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(diǎn)，驅動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續流二極管芯片）通過(guò)特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產(chǎn)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模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點(diǎn)；當前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的多為此類(lèi)模塊化產(chǎn)品，一般所說(shuō)的IGBT也指IGBT模塊；隨著(zhù)節能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類(lèi)產(chǎn)品在市場(chǎng)上將越來(lái)越多見(jiàn)；
IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱(chēng)電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)與新能源裝備等領(lǐng)域應用極廣。
IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間說(shuō)明，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(zhù)寄生電容艮，因此IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷就相當于對CGE進(jìn)行充電與放電。假設IGBT初始狀態(tài)為關(guān)斷狀態(tài)，即VGE為負壓VGC-，后級輸出為阻感性負載，帶有續流二極管。
由于寄生參數以及負載特性的影響，IGBT的實(shí)際開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程比較復雜，如圖1為IGBT的開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程示意圖，圖中柵極驅動(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，只有細節被理想化。
表1中列出了IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)間的定義，之后是對IGBT開(kāi)關(guān)各個(gè)階段的具體介紹。
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IGBT主要工作在主動(dòng)區域。
當柵極和發(fā)射極之向被加上一個(gè)階躍式的正向驅動(dòng)電壓后，便對CGE開(kāi)始充電，VGE開(kāi)始上升，上升過(guò)程的時(shí)間常數由CGE和柵極驅動(dòng)網(wǎng)路的電阻所決定，一旦’VGE達到開(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持續上升，到Ic上升至負載電流IL的90%的時(shí)候，這段時(shí)間稱(chēng)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，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(guān)，因此主要的開(kāi)通損耗產(chǎn)生于這一時(shí)間內。
2. IGBT導通
IGBT導通時(shí)，主要工作在飽和區域。
IGBT開(kāi)通后，集電極電流Ic仍然會(huì )繼續上彝，并產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)通電流峰值，這個(gè)峰值是由阻感性負載及續流二極管共同產(chǎn)生的，峰值電流過(guò)大可能會(huì )損耗IGBT。Ic在達到峰值之后會(huì )逐步下降至負載電流Ic的水平，與此同時(shí)，VCE也下降至飽和壓降水平，ICBT進(jìn)入相對穩定的導通階段。在這個(gè)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(gè)較低的飽和壓降VCEsat，可以看出，工作在飽和區的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。
當柵極和發(fā)射極之間的正向電壓被突然撤銷(xiāo)并同時(shí)被加上一個(gè)負壓后，VCE便開(kāi)始下降。下降過(guò)程的時(shí)間常數仍然由輸入電容CGE和柵極驅動(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，則續流二極管處于截止狀態(tài)且不能接續電流。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(shí)間稱(chēng)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，這主要是由負載電感引起的，其幅度與IGBT的關(guān)斷速度呈線(xiàn)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(chēng)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，但是這一設計同時(shí)引發(fā)了拖尾電流It，拖尾電流持續衰減至關(guān)斷狀態(tài)漏電流的時(shí)間稱(chēng)為拖尾時(shí)間tt，拖尾電流嚴重的影響了關(guān)斷損耗，因為在這段時(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，IGBT也不能及時(shí)的完全關(guān)斷，這是值得注意的，在設計驅動(dòng)時(shí)要保證兩個(gè)橋臂的驅動(dòng)波形有足夠的死區。
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(shí)，集電極電流IC與集電極電壓VCE之間的關(guān)系曲線(xiàn)。IGBT的伏安特性與BJT的輸出特性相似，也可分為飽和區I、放大區II和擊穿區III三部分。IGBT作為開(kāi)關(guān)器件穩態(tài)時(shí)主要工作在飽和導通區。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(guān)系曲線(xiàn)。它與MOSFET的轉移特性相同，當柵極電壓VGE小于開(kāi)啟電壓VGE(th)時(shí)，IGBT處于關(guān)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(xiàn)性關(guān)系。
IGBT與MOSFET的對比：
MOSFET全稱(chēng)功率場(chǎng)效應晶體管。它的三個(gè)極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。
主要優(yōu)點(diǎn)：熱穩定性好、安全工作區大。
缺點(diǎn)：擊穿電壓低，工作電流小。
IGBT全稱(chēng)絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相結合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。
特點(diǎn)：擊穿電壓可達1200V，集電極最大飽和電流已超過(guò)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。
聯(lián)系方式：鄒先生
聯(lián)系電話(huà)：0755-83888366-8022
手機：18123972950
QQ：2880195519
聯(lián)系地址：深圳市福田區車(chē)公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1
請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號
請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助
