IGBT的开关时间说明详细分析-IGBT与MOSFET的对比

IGBT介绍

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；

IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

IGBT的开关时间说明详解

IGBT的开关时间说明，IGBT的开关过程主要是由栅极电压VGE控制的，由于栅极和发射极之间存在着寄生电容艮，因此IGBT的开通与关断就相当于对CGE进行充电与放电。假设IGBT初始状态为关断状态，即VGE为负压VGC-，后级输出为阻感性负载，带有续流二极管。

由于寄生参数以及负载特性的影响，IGBT的实际开通与关断过程比较复杂，如图1为IGBT的开通关断过程示意图，图中栅极驱动波形较为理想化，集电极电流以及集电极—发亏射极电压的波形大致上是实际波形，只有细节被理想化。

表1中列出了IGBT开关时间的定义，之后是对IGBT开关各个阶段的具体介绍。

1. 开通时间ton

开通时间还可以分为两个部分：开通延迟时间td（on）与上升时间tr，在此时间内IGBT主要工作在主动区域。

当栅极和发射极之向被加上一个阶跃式的正向驱动电压后，便对CGE开始充电，VGE开始上升，上升过程的时间常数由CGE和栅极驱动网路的电阻所决定，一旦’VGE达到开启电压VGE（th）后，集电极电流Ic则开始上升。从VGE上升至VGE(th）开始，到IC上升至负载电流IL的10%为止，这段时间被定义为开通延迟时间td（on）。

此后，集电极电流Ic持续上升，到Ic上升至负载电流IL的90%的时候，这段时间称为上升时间tr。开通延迟时间td（on）与上升时间tr之和被为开通时间ton。在整个开通时间内，可以看出电流逐渐上升而集电极—发射极之间的压降仍然十分可观，因此主要的开通损耗产生于这一时间内。

2. IGBT导通

IGBT导通时，主要工作在饱和区域。

IGBT开通后，集电极电流Ic仍然会继续上彝，并产生一个开通电流峰值，这个峰值是由阻感性负载及续流二极管共同产生的，峰值电流过大可能会损耗IGBT。Ic在达到峰值之后会逐步下降至负载电流Ic的水平，与此同时，VCE也下降至饱和压降水平，ICBT进入相对稳定的导通阶段。在这个阶段中的主要参数是由负载确定的通态电流IL以及一个较低的饱和压降VCEsat，可以看出，工作在饱和区的IGBT的损耗并不是特别大。

3. 关断时间toff

同开通时间ton一样，关断时间toff也可以分为两段：关断延迟时间td（off），以及下降时间tf。

当栅极和发射极之间的正向电压被突然撤销并同时被加上一个负压后，VCE便开始下降。下降过程的时间常数仍然由输入电容CGE和栅极驱动回路的电阻所决定。同时，VCE开始上升。但只要VCE小于VCC，则续流二极管处于截止状态且不能接续电流。所以，IGBT的集电极电流Ic在此期间并没有明显的下降。因此，从栅极—发射极电压VCE降落到其开通值的90%开始，直到集电极电流下降至负载电流的90%为止；这一段时间被定义为关断延迟时间td（off）。

一旦上升的IGBT的集电极—发射极电压超过工作电压VCC时，续流二极管便处于正向偏置的状态下，负载电流便可以换流至续流二极管，集电极电流也因此下降口从集电极电流IC由负载电流k的90%下降至10%之间的时间称为下降时间tf。从图1中可以看出，在IC下降的同时，VCE会产生一个大大超过工作电压Vcc的峰值，这主要是由负载电感引起的，其幅度与IGBT的关断速度呈线性关系。峰值电籮过高可能会造成IGBT的损坏。

关断延迟时间，与下降时间tf 之和称为关断时间toff。

4. 拖尾时间、拖尾电流

相比于MOSFET，IGBT采用一种新的方式降低了通态损耗，但是这一设计同时引发了拖尾电流It，拖尾电流持续衰减至关断状态漏电流的时间称为拖尾时间tt，拖尾电流严重的影响了关断损耗，因为在这段时间里，VCE已经上升至工作电压VCC以上。拖尾电流的产生也告诉我们，即使在栅极给出了关断信号，IGBT也不能及时的完全关断，这是值得注意的，在设计驱动时要保证两个桥臂的驱动波形有足够的死区。

IGBT与MOSFET的对比

输出特性与转移特性：

IGBT的伏安特性是指以栅极电压VGE为参变量时，集电极电流IC与集电极电压VCE之间的关系曲线。IGBT的伏安特性与BJT的输出特性相似，也可分为饱和区I、放大区II和击穿区III三部分。IGBT作为开关器件稳态时主要工作在饱和导通区。IGBT的转移特性是指集电极输出电流IC与栅极电压之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅极电压VGE小于开启电压VGE(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与VGE呈线性关系。

IGBT与MOSFET的对比：

MOSFET全称功率场效应晶体管。它的三个极分别是源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。

主要优点：热稳定性好、安全工作区大。

缺点：击穿电压低，工作电流小。

IGBT全称绝缘栅双极晶体管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产物。它的三个极分别是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)。

特点：击穿电压可达1200V，集电极最大饱和电流已超过1500A。由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上，工作频率可达20kHz。

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