IGBT開關過程分析以及驅動考慮

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開關特性的測試電路，評估IGBT的開通及關斷行為。圖2為綜合考慮了二極管的恢復特性及雜散電感(Ls)得到的IGBT實際開關波形，可作為設計IGBT驅動電路的參考。首先我們設定IGBT運行在持續的穩態電流條件下，流經感性負載然后流過與感性負載并聯的理想續流二極管。 

IGBT二極管鉗位感性負載電路

圖1. Diode-Clamped inductive load

IGBT開關波形

圖2. IGBT Switching Waveforms

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

a.導通過程

t0時間段：

t0時間段內，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，實際上是時間常數為RG(Cge+Cgc)的指數曲線。在此時間內，VCE及iC不變。導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，大部分導通延遲時間處在t0時間段。

t1時間段：

 當VGE超過VGE(th)時，柵氧化層下的基區形成溝道，電流開始導通。在此時間內，IGBT處在線性區，iC隨著VGE而上升。iC的上升與VGE的上升有關，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，產生在LS兩端，與Vd方向相反。當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時間段內開始下降，然而并不能立刻降至0A，因為存在反向恢復過程，電流會反向流動。反向恢復電流疊加至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，Cgc吸收及放電門極驅動電流，Cge放電。在t3時間段末尾，二極管的反向恢復過程結束。

t4時間段：

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

IGBT開通動作過程圖解

圖3 IGBT開通動作過程圖解

驅動器啟動過程模擬仿真： 

IGBT仿真模型分析結果

圖4 IGBT仿真模型分析結果

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