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绝缘栅双极型晶体管系统的特点

[日期:2012-05-22] 来源:  作者: [字体: ]

    IGBT,中文名字为绝缘栅双极型晶体管,它是由MOSFET(输入级)和PNP晶体管(输出级)复合而成的一种器件,既有MOSFET器件驱动功 率小和开关速度快的特点(控制和响应),又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点(功率级较为耐用),频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常 工作于几十kHz频率范围内。

 

    理想等效电路与实际等效电路如图所示:

11.jpg

    IGBT 的静态特性一般用不到,暂时不用考虑,重点考虑动态特性(开关特性)。

    动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取:

22.jpg

    IGBT的开通过程

    IGBT 在开通过程中,分为几段时间

    1.与MOSFET类似的开通过程,也是分为三段的充电时间

    2.只是在漏源DS电压下降过程后期,PNP晶体管由放大区至饱和过程中增加了一段延迟时间。

    在上面的表格中,定义了了:开通时间Ton,上升时间Tr和Tr.i

    除了这两个时间以外,还有一个时间为开通延迟时间td.on:td.on=Ton-Tr.i

    IGBT在关断过程

    IGBT在关断过程中,漏极电流的波形变为两段。

    第一段是按照MOS管关断的特性的

    第二段是在MOSFET关断后,PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放,造成漏极电流较长的尾部时间。

    在上面的表格中,定义了了:关断时间Toff,下降时间Tf和Tf.i

    除了表格中以外,还定义trv为DS端电压的上升时间和关断延迟时间td(off)。

    漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成,而总的关断时间可以称为toff=td(off)+trv十t(f),td(off)+trv之和又称为存储时间。

    从下面图中可看出详细的栅极电流和栅极电压,CE电流和CE电压的关系:

33.jpg

    从另外一张图中细看MOS管与IGBT管栅极特性可能更有一个清楚的概念:

    开启过程

44.jpg

    关断过程

55.jpg

    尝试去计算IGBT的开启过程,主要是时间和门电阻的散热情况。

66.jpg

    C.GE 栅极-发射极电容

    C.CE 集电极-发射极电容

    C.GC 门级-集电极电容(米勒电容)

77.jpg

    Cies = CGE + CGC 输入电容

    Cres = CGC 反向电容

    Coes = CGC + CCE 输出电容

    根据充电的详细过程,可以下图所示的过程进行分析

88.jpg

    对应的电流可简单用下图所示:

99.jpg

    第1阶段:栅级电流对电容CGE进行充电,栅射电压VGE上升到开启阈值电压VGE(th)。这个过程电流很大,甚至可以达到几安培的瞬态电流。在这个阶 段,集电极是没有电流的,极电压也没有变化,这段时间也就是死区时间,由于只对GE电容充电,相对来说这是比较容易计算的,由于我们采用电压源供电,这段 曲线确实是一阶指数曲线。

    第2阶段:栅极电流对Cge和Cgc电容充电,IGBT的开始开启的过程了,集电极电流开始增加,达到最大负载电流电流IC,由于存在二极管的反向恢复电流,因此这个过程与MOS管的过程略有不同,同时栅极电压也达到了米勒平台电压。

    第3阶段:栅极电流对Cge和Cgc电容充电,这个时候VGE是完全不变的,值得我们注意的是Vce的变化非常快。

    第4阶段:栅极电流对Cge和Cgc电容充电,随着Vce缓慢变化成稳态电压,米勒电容也随着电压的减小而增大。Vge仍旧维持在米勒平台上。

    第5阶段:这个时候栅极电流继续对Cge充电,Vge电压开始上升,整个IGBT完全打开。

    我的一个同事在做这个将整个过程等效为一阶过程。

    如果以这个电路作为驱动电路的话:

11.jpg

    驱动的等效电路可以表示为:

22.jpg

    利用RC的充放电曲线可得出时间和电阻的功率。

    这么算的话,就等于用指数曲线,代替了整个上升过程,结果与等效的过程还是有些差距的。

    不过由于C.GE,C.CE,C.GC是变化的,而且电容两端的电压时刻在变化,我们无法完全整理出一条思路来。

    很多供应商都是推荐使用Qg来做运算,计算方法也可以整理出来,唯一的变化在于Qg是在一定条件下测定的,我们并不知道这种做法的容差是多少。

33.jpg

    我觉得这种做法的最大的问题是把整个Tsw全部作为充放电的时间,对此还是略有些疑惑的。


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