探究IGBT開關(guān)過程及其驅(qū)動設(shè)計的關(guān)鍵因素

IGBT在二極管鉗位感性負載條件下的電路如圖1所示，該電路為IGBT常用電路，可作為IGBT開關(guān)特性的測試電路，評估IGBT的開通及關(guān)斷行為。圖2為綜合考慮了二極管的恢復(fù)特性及雜散電感(Ls)得到的IGBT實際開關(guān)波形，可作為設(shè)計IGBT驅(qū)動電路的參考。首先我們設(shè)定IGBT運行在持續(xù)的穩(wěn)態(tài)電流條件下，流經(jīng)感性負載然后流過與感性負載并聯(lián)的理想續(xù)流二極管。

圖1. Diode-Clamped inductive load

圖2. IGBT Switching Waveforms

IGBT的導(dǎo)通波形與MOSFET非常相像，IGBT的關(guān)斷特性除了拖尾電流外也與MOSFET類似，下面逐個時間區(qū)域說明IGBT動作原理。

a.導(dǎo)通過程

t0時間段：

t0時間段內(nèi)，門極電流iG對輸入寄生電容Cge、Cgc充電，VGE上升至閾值VGE(th)。VGE被認為線性上升，實際上是時間常數(shù)為RG(Cge+Cgc)的指數(shù)曲線。在此時間內(nèi)，VCE及iC不變。導(dǎo)通延遲時間定義為從門極電壓上升至VGG+的10%開始到集電極電流iC上升至Io的10%的為止。因而，大部分導(dǎo)通延遲時間處在t0時間段。

t1時間段：

當(dāng)VGE超過VGE(th)時，柵氧化層下的基區(qū)形成溝道，電流開始導(dǎo)通。在此時間內(nèi)，IGBT處在線性區(qū)，iC隨著VGE而上升。iC的上升與VGE的上升有關(guān)，最終到達滿載電流Io。在t1和t2時間段，VCE的值相對于Vd略有下降，這是由于回路的雜散電感造成的電壓VLS=LS*diC/dt，產(chǎn)生在LS兩端，與Vd方向相反。當(dāng)iC上升時，VCE下降的值取決于diC/dt及LS，形狀隨iC形式而變化。

t2,t3時間段：

二極管電流iD在t1時間段內(nèi)開始下降，然而并不能立刻降至0A，因為存在反向恢復(fù)過程，電流會反向流動。反向恢復(fù)電流疊加至iC上，使t2、t3時間段的iC形式一樣。此刻，二極管兩端的反向電壓增加，IGBT兩端壓降VCE下降，因為Cge在VCE較大時的值較小，VCE迅速下降，因而，此時的dVCE/dt較大。在t3時間內(nèi)，Cgc吸收及放電門極驅(qū)動電流，Cge放電。在t3時間段末尾，二極管的反向恢復(fù)過程結(jié)束。

t4時間段：

該段時間內(nèi)，iG向Cgc充電，VGE維持在VGE,IO，iC維持在滿載電流Io，而VCE以 (VGG-VGE,Io)/(RGCgc)的速度下降。VCE大幅度下降并有一個拖尾電壓，這是因為Cgc在低VCE時的值較大

t5時間段：

該段時間內(nèi)VGE再次以時間常數(shù)RG(Cge+Cgc,miller)增加直到VGG+，Cgc,miller為密勒電容，由于密勒效應(yīng)隨著VCE的降低而上升。t5時間內(nèi)，VCE緩慢下降至集電極-發(fā)射極飽和電壓，充分進入飽和狀態(tài)。這是因為IGBT晶體管穿過線性區(qū)的速度比MOSFET慢，以及密勒電容Cgc,miller的影響。

圖3 IGBT開通動作過程圖解

驅(qū)動器啟動過程模擬仿真：

圖4 IGBT仿真模型分析結(jié)果

b.關(guān)斷過程 t6時間段：
這段時間為關(guān)斷延遲時間，VGE以時間常數(shù)RG (Cge+Cgc,miller)從VGG+下降到VGE,Io，VCE及iC都保持不變。 t7時間段： VCE開始上升，速度可由RG控制，如下式： t8時間段： VCE保持在Vd，iC開始下降，速度也可由RG控制，如下式： 如導(dǎo)通瞬間一樣，t7與t8時間段會產(chǎn)生尖峰電壓VLS= LS×diC/dt，疊加在IGBT集電極-發(fā)射極兩端，這是iC兩個下降階段的第一個，是MOSFET電流部分消失的過程。 t9時間段： IGBT電流iC中的BJT部分消失的過程，該電流常被稱為拖尾電流。是由注入在N-漂移區(qū)中的少子(空穴)復(fù)合行為形成的電流。因此，IGBT的開關(guān)特性劣于功率MOSFET。
IGBT驅(qū)動需要滿足的性能：

圖5 IGBT驅(qū)動電壓及電流波形

1、要有效驅(qū)動IGBT，則驅(qū)動器的供給能量至少要滿足IGBT的驅(qū)動損耗要求； 2、IGBT驅(qū)動時驅(qū)動電流會存在一個較明顯的電流尖峰，驅(qū)動器要有能力滿足啟動時的電流尖峰的要求； 從目前主流IGBT驅(qū)動器的產(chǎn)品來看，IGBT驅(qū)動器應(yīng)該具有的基本保護功能主要是： 1、欠壓功能，包括原邊輸入電壓欠壓，副邊（即IGBT端）欠壓功能； 2、短路保護，也叫做退飽和檢測及保護； 3、有源鉗位以及米勒鉗位保護； 這三種是最主要的保護功能。各自的側(cè)重面不一樣。 IGBT驅(qū)動器為什么要設(shè)計這些繁瑣的保護功能？這是因為IGBT本身的特性決定的。IGBT可以看作是在MOSFET芯片的基礎(chǔ)之上再加了一個晶閘管。主要目的是想利用MOSFET易驅(qū)動易關(guān)斷的特點，以及晶閘管皮實耐用的特點。不可否認，IGBT確實繼承了這些優(yōu)點。 從等效模型來看，可以看作輸入為MOSFET，輸出為PNP三極管。但是由于IGBT芯片較MOSFET復(fù)雜，帶來的后果是IGBT的寄生參數(shù)大。且又由于IGBT應(yīng)用在高電壓大電流的場合，因此過快的di/dt或dv/dt再結(jié)合IGBT本身較大的寄生參數(shù)，問題就出來了。 因此必須要在IGBT驅(qū)動器上下功夫。而IGBT驅(qū)動器本身又是電路組成，會引入干擾和寄生參數(shù)，尤其是在高頻共模干擾的情況下，會引起IGBT損壞。IGBT驅(qū)動器的設(shè)計是難點。原理并不難。難得是如何處理減小寄生參數(shù)以及共模干擾等的影響。

審核編輯：黃飛

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