IGBT開關損耗產(chǎn)生的原因與PiN二極管的正向恢復特性

01前 言

大家好，這期我們再聊一下IGBT的開關損耗，我們都知道IGBT開關損耗產(chǎn)生的原因是開關暫態(tài)過程中的電壓、電流存在交疊部分，由于兩者都為正，這樣就會釋放功率，對外做功產(chǎn)生熱量。那為什么IGBT開關過程會有這樣的特性?也就是為什么對于開通暫態(tài)電流先上升電壓后下降，而對于關斷暫態(tài)電壓先上升而電流后下降呢?估計很多小伙伴沒有想的太清楚，下面我們就來聊一下這個話題...

02開通暫態(tài)分析

為了便于分析，我們還是以雙脈沖測試電路為例進行分析，在這里還要強調(diào)一下由于大部分工業(yè)應用負載都是感性的，因此在分析雙脈沖測試時，只要接個電感就可以了。對于開通暫態(tài)分析我們主要關注雙脈沖的第2個脈沖的開通暫態(tài)過程，至于原因相信大家應該都比較清楚了，第一個脈沖電流從0開始上升，不會產(chǎn)生開通損耗，而對于工作在開關狀態(tài)的IGBT第2、3、4、5…、n個脈沖的開通暫態(tài)本質(zhì)上都是一樣的，只是電流大小逐漸增大，通過改變第1個脈沖的寬度就可以模擬出不同電流下的開通暫態(tài)行為，所以只需要雙脈沖就可以完成所有電流下的開通暫態(tài)分析。

假設t0時刻以前S1已經(jīng)歷過一次開關狀態(tài)，且處于關斷穩(wěn)態(tài)，此時負載電感正在通過續(xù)流二極管D2續(xù)流。t0時刻S1接收到開通命令，經(jīng)過開通延遲時間后，在t1時刻，S1的柵極達到開啟閾值，正式開始了與鄰家小弟D2的電壓和電流的控制權(quán)爭奪之戰(zhàn)。二極管小弟D2雖然仰仗負載電感大哥，把控著電流控制權(quán)，但是在鄰居S1和電源大哥Vdc的雙重壓迫下，不得不開始先把電流控制權(quán)移交出去，因此在t1時刻S1的電流迅速上升，而D2的正向電流也以同樣的速率快速下降，很快在t2時刻完成了交接(不考慮反向恢復過程)。

那為啥在電流交接的過程S1和D2兩者的電壓卻沒什么變化呢?原來D2小弟還有個本領，只要有電流通過，那我就會保持正向?qū)顟B(tài)，既然自己處于正向?qū)顟B(tài)，那S1的集電極電壓還依然就是Vdc。S1知道二極管有這個特性，過早爭奪也沒意義，心想只要把D2的電流控制權(quán)要過來后，自然也不會受D2的控制了。因此在t2時刻伴隨著電流交接完成，S1的電壓開始下降，D2也開始承受反向電壓(圖中的電壓缺口是回路雜感引入的，在這里我們就不分析了，可以用虛線把缺口補上，代表無雜感狀態(tài))，S1知道電壓控制權(quán)一旦要過來，那剩下的就完全靠自己了，電壓的下降時間取決于自身的“化功大法”(電導調(diào)制)，電流越大，需要的時間越長。關于電導調(diào)制的概念前面也提到過，和PiN二極管類似，詳細可以參考這篇文章：

如何理解PiN二極管的正向恢復特性?

看到這里相信大家也應該明白了，造成IGBT開通損耗的主要原因為上一個開關狀態(tài)對管的續(xù)流二極管在續(xù)流，只有當二極管電流下降到0時，IGBT電壓才會下降，而電壓下降還要看電導調(diào)制時間，這樣就造成了開通暫態(tài)電壓和電流的交疊現(xiàn)象，當然本質(zhì)原因還是電感負載導致，讓我們再來看看關斷暫態(tài)過程。

03關斷暫態(tài)分析

對于關斷暫態(tài)分析，我們還以雙脈沖測試電路為例進行說明，由于我們只關注關斷暫態(tài)，因此單脈沖分析也是可以的。

在t0時刻之前IGBT S1處于導通狀態(tài)，t0時刻S1接收到關斷指令，此時是S1也嘗試關斷集電極電流，但是S1自己都不知道此時集電極電流已經(jīng)被完全外部電感控制了，但是命令已然下達，S1也有很強的適應能力，雖然模塊內(nèi)部電流分布已經(jīng)波濤洶涌，但外部表現(xiàn)依然風平浪靜(由于IGBT是雙極性器件，電子和空穴都導電，接收到關斷命令后，電子電流受門極控制很快消失，為了維持負載電流不變，空穴電流義不容辭迅速增加)。這個過程其實是很復雜的，老耿不詳述了，詳細可以參考以前的文章：

IGBT關斷過程是怎樣的?(第一講)

這樣由于內(nèi)部載流子和電場的復雜變化，對外表現(xiàn)就是電壓先建立起來，當S1的集電極電壓高于母線電壓和上管D2的正向壓降時，負載電流突然發(fā)現(xiàn)了一個新的低阻抗支路，所以也就不好一直賴在S1這里不走了，迅速的切換到D2支路。此時S1肯定在想，你再不走，老子就芭比Q了，多虧隔壁鄰居的好哥們D2幫忙，想到剛剛還和D2在爭奪電壓、電流的控制權(quán)，現(xiàn)在又想轉(zhuǎn)移出去，實在慚愧不已?？吹阶约业母鐐僁1正在悠閑的刷著抖音，真是遠親不如近鄰，剛想上去罵兩句，緩解一下剛剛被折磨的情緒，深入一想朋友都是有來有往，既然我得依賴鄰居的D2，那鄰居的S2也要依靠自家的兄弟D1，也就趕緊閉上了嘴，大家還是和平共處吧，不然炸雞了，都遭殃。正在思索著，突然又接收到開通命令，一股強烈的電流自下而上貫穿整個身體，好吧，認命吧。。。

看到這里大家應該明白IGBT關斷損耗產(chǎn)生的原因了吧，又是負載電感搞的鬼。由于IGBT每次開關過程都會被負載電感折磨一次，每次都會讓自己發(fā)熱，久而久之多多少少都會受到一些影響，這也就是為什么高可靠產(chǎn)品都開始關注IGBT的壽命計算了。關于二極管產(chǎn)生損耗的原因，老耿就不說了，大家可以自行分析一下，有問題可以私信我。

原文標題：IGBT為什么會產(chǎn)生開關損耗?

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