IGBT开关动态和反向特性电路

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，其驱动与MOSFET驱动相似，是电压控制器件，驱动功率小。但IGBT的栅极与发射极之间、栅极与集电极之间存在着结间电容，在它的射极回路中存在着漏电感，由于这些分布参数的影响，使得IGBT的驱动波形与理想驱动波形产生较大的变化，并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。

IGBT开关等效电路如图2a所示。E是驱动信号源，R是驱动电路内阴，Rg为栅极串联电阻Cge、Cgc分别为栅极与发射极、集电极之间的寄生电容，Le是射极回路漏电感，用电感L1与二极管VD并联作为负载。IGBT开通波形见图2b。T0时刻，IGBT处于关断状态，栅极驱动电压开始上升，Uge的上升斜率上要由Rg和Cgc决定，上升较快。到t1时刻。Uge达到栅极门槛值（约4~5V），集电极电流开始上升。导致Uge波形偏离原有轨迹的因素主要有两个：一是发射极电路中分布电感Le的负反馈作用；二是栅极-集电极电容Cgc的密勒效应。t2时刻，Ic达到最大值，集射极电压Uce下降，同时Cgc放电，驱动电路电流增大，使得Rg和R上分压加大，也造成Uge下降。直到t3时刻，Uce降为0，Ic达到稳态值，Uge才以较快的上升率达到最大值。

IGBT关断波形如图2c所示。T0时刻栅极驱动电压开始下降，到t1时刻达到刚能维持Ic的水下，lGBT进入线性工作区，Uce开始上升，对Cgc、Cge充电，由于对两个寄生电容的耦合充电作用，使得在t1~t2期间，Uge基本不变。在t3时刻，Uce上升结束，Uge和Ic以栅极-发射极间固有阻抗下降为0。通过以上分析可知，对IGBT开通关断过程影响较大的因素是驱动电路的阻杭、Le和Cge。因此在设计驱动电路的时候，应选择Cgc较小的IGBT，并通过合理布线、选择合理电阻等方法改善开通与关断的过程。

反向阻断型采用TO-247封装，额定阻断电压VCES=1000V，集电极电流在温度Tj=90℃时，Ic=40A。饱和电压和集电极电流曲线如图1所示，从图1中可以看到，在微小的电流情况下饱和电压具有正温度系数，这对并联使用IGBT是有益的。此外，反向阻断型IGBT的饱和电压比用标准IGBT串一个二极管达到反向阻断功能时的饱和压降低的多。应用于硬开关斩波电路中的IGBT关断电压波形如图2所示。可以看出，当开通或关断一个正的集电极—发射极电压，反向阻断IGBT的工作特点和NPT型IGBT的实际上是对应的，这可以从半导体自身物理性质得出。

反向特性应分两种不同工作条件，图3所示为一个类似图2所示的斩波电路，但二极管已被反向阻断IGBT(Vl)代替了。当给Vl的栅极加一个VGE=15V的正电压时，V1导通，产生一个正的集电极电流IC>0和一个正的集电极—发射极电压VCE>0，在电感乙中有电流流过，开关管V2关断。当V2开通时，通过加在其两端的反向电压VCE=-Vz＜o使Vl阻断。反向阻断IGBT可以被看成某种可控二极管，其实这个二极管是集成在芯片内部的，如果是软关断，二极管的反向恢复波形会很平滑，几乎没有过冲电压。其关断速度比那些电源整流桥上的二极管快，但还是低于快恢复型二极管。

图4所示为用两个反向阻断型IGBT反向并联，可以组成一个双向开关，流过LC振荡器的电流是由双向开关管来控制的。初始时，电容C被充电至正电压Vc>0，电感电流IL=0，晶体管Vl栅极电压VGEl=0，Vl关断。如图4所示的波形，在t=100μs时，开通Vl，这产生了一个半波形正弦电流，同时改变了电容两端电压的极性，使电容电压波形近似干一个余弦波形，由于电路中存在损耗，其幅值会有所减小。