IGBT开关损耗产生的原因与PiN二极管的正向恢复特性

01前 言

大家好，这期我们再聊一下IGBT的开关损耗，我们都知道IGBT开关损耗产生的原因是开关暂态过程中的电压、电流存在交叠部分，由于两者都为正，这样就会释放功率，对外做功产生热量。那为什么IGBT开关过程会有这样的特性?也就是为什么对于开通暂态电流先上升电压后下降，而对于关断暂态电压先上升而电流后下降呢?估计很多小伙伴没有想的太清楚，下面我们就来聊一下这个话题...

02开通暂态分析

为了便于分析，我们还是以双脉冲测试电路为例进行分析，在这里还要强调一下由于大部分工业应用负载都是感性的，因此在分析双脉冲测试时，只要接个电感就可以了。对于开通暂态分析我们主要关注双脉冲的第2个脉冲的开通暂态过程，至于原因相信大家应该都比较清楚了，第一个脉冲电流从0开始上升，不会产生开通损耗，而对于工作在开关状态的IGBT第2、3、4、5…、n个脉冲的开通暂态本质上都是一样的，只是电流大小逐渐增大，通过改变第1个脉冲的宽度就可以模拟出不同电流下的开通暂态行为，所以只需要双脉冲就可以完成所有电流下的开通暂态分析。

假设t0时刻以前S1已经历过一次开关状态，且处于关断稳态，此时负载电感正在通过续流二极管D2续流。t0时刻S1接收到开通命令，经过开通延迟时间后，在t1时刻，S1的栅极达到开启阈值，正式开始了与邻家小弟D2的电压和电流的控制权争夺之战。二极管小弟D2虽然仰仗负载电感大哥，把控着电流控制权，但是在邻居S1和电源大哥Vdc的双重压迫下，不得不开始先把电流控制权移交出去，因此在t1时刻S1的电流迅速上升，而D2的正向电流也以同样的速率快速下降，很快在t2时刻完成了交接(不考虑反向恢复过程)。

那为啥在电流交接的过程S1和D2两者的电压却没什么变化呢?原来D2小弟还有个本领，只要有电流通过，那我就会保持正向导通状态，既然自己处于正向导通状态，那S1的集电极电压还依然就是Vdc。S1知道二极管有这个特性，过早争夺也没意义，心想只要把D2的电流控制权要过来后，自然也不会受D2的控制了。因此在t2时刻伴随着电流交接完成，S1的电压开始下降，D2也开始承受反向电压(图中的电压缺口是回路杂感引入的，在这里我们就不分析了，可以用虚线把缺口补上，代表无杂感状态)，S1知道电压控制权一旦要过来，那剩下的就完全靠自己了，电压的下降时间取决于自身的“化功大法”(电导调制)，电流越大，需要的时间越长。关于电导调制的概念前面也提到过，和PiN二极管类似，详细可以参考这篇文章：

如何理解PiN二极管的正向恢复特性?

看到这里相信大家也应该明白了，造成IGBT开通损耗的主要原因为上一个开关状态对管的续流二极管在续流，只有当二极管电流下降到0时，IGBT电压才会下降，而电压下降还要看电导调制时间，这样就造成了开通暂态电压和电流的交叠现象，当然本质原因还是电感负载导致，让我们再来看看关断暂态过程。

03关断暂态分析

对于关断暂态分析，我们还以双脉冲测试电路为例进行说明，由于我们只关注关断暂态，因此单脉冲分析也是可以的。

在t0时刻之前IGBT S1处于导通状态，t0时刻S1接收到关断指令，此时是S1也尝试关断集电极电流，但是S1自己都不知道此时集电极电流已经被完全外部电感控制了，但是命令已然下达，S1也有很强的适应能力，虽然模块内部电流分布已经波涛汹涌，但外部表现依然风平浪静(由于IGBT是双极性器件，电子和空穴都导电，接收到关断命令后，电子电流受门极控制很快消失，为了维持负载电流不变，空穴电流义不容辞迅速增加)。这个过程其实是很复杂的，老耿不详述了，详细可以参考以前的文章：

IGBT关断过程是怎样的?(第一讲)

这样由于内部载流子和电场的复杂变化，对外表现就是电压先建立起来，当S1的集电极电压高于母线电压和上管D2的正向压降时，负载电流突然发现了一个新的低阻抗支路，所以也就不好一直赖在S1这里不走了，迅速的切换到D2支路。此时S1肯定在想，你再不走，老子就芭比Q了，多亏隔壁邻居的好哥们D2帮忙，想到刚刚还和D2在争夺电压、电流的控制权，现在又想转移出去，实在惭愧不已。看到自家的哥们D1正在悠闲的刷着抖音，真是远亲不如近邻，刚想上去骂两句，缓解一下刚刚被折磨的情绪，深入一想朋友都是有来有往，既然我得依赖邻居的D2，那邻居的S2也要依靠自家的兄弟D1，也就赶紧闭上了嘴，大家还是和平共处吧，不然炸鸡了，都遭殃。正在思索着，突然又接收到开通命令，一股强烈的电流自下而上贯穿整个身体，好吧，认命吧。。。

 

看到这里大家应该明白IGBT关断损耗产生的原因了吧，又是负载电感搞的鬼。由于IGBT每次开关过程都会被负载电感折磨一次，每次都会让自己发热，久而久之多多少少都会受到一些影响，这也就是为什么高可靠产品都开始关注IGBT的寿命计算了。关于二极管产生损耗的原因，老耿就不说了，大家可以自行分析一下，有问题可以私信我。

原文标题：IGBT为什么会产生开关损耗?

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      审核编辑：汤梓红