探究IGBT开关过程及其驱动设计的关键因素

IGBT在二极管钳位感性负载条件下的电路如图1所示，该电路为IGBT常用电路，可作为IGBT开关特性的测试电路，评估IGBT的开通及关断行为。图2为综合考虑了二极管的恢复特性及杂散电感(Ls)得到的IGBT实际开关波形，可作为设计IGBT驱动电路的参考。首先我们设定IGBT运行在持续的稳态电流条件下，流经感性负载然后流过与感性负载并联的理想续流二极管。

图1. Diode-Clamped inductive load

图2. IGBT Switching Waveforms

IGBT的导通波形与MOSFET非常相像，IGBT的关断特性除了拖尾电流外也与MOSFET类似，下面逐个时间区域说明IGBT动作原理。

a.导通过程

t0时间段：

t0时间段内，门极电流iG对输入寄生电容Cge、Cgc充电，VGE上升至阈值VGE(th)。VGE被认为线性上升，实际上是时间常数为RG(Cge+Cgc)的指数曲线。在此时间内，VCE及iC不变。导通延迟时间定义为从门极电压上升至VGG+的10%开始到集电极电流iC上升至Io的10%的为止。因而，大部分导通延迟时间处在t0时间段。

t1时间段：

当VGE超过VGE(th)时，栅氧化层下的基区形成沟道，电流开始导通。在此时间内，IGBT处在线性区，iC随着VGE而上升。iC的上升与VGE的上升有关，最终到达满载电流Io。在t1和t2时间段，VCE的值相对于Vd略有下降，这是由于回路的杂散电感造成的电压VLS=LS*diC/dt，产生在LS两端，与Vd方向相反。当iC上升时，VCE下降的值取决于diC/dt及LS，形状随iC形式而变化。

t2,t3时间段：

二极管电流iD在t1时间段内开始下降，然而并不能立刻降至0A，因为存在反向恢复过程，电流会反向流动。反向恢复电流叠加至iC上，使t2、t3时间段的iC形式一样。此刻，二极管两端的反向电压增加，IGBT两端压降VCE下降，因为Cge在VCE较大时的值较小，VCE迅速下降，因而，此时的dVCE/dt较大。在t3时间内，Cgc吸收及放电门极驱动电流，Cge放电。在t3时间段末尾，二极管的反向恢复过程结束。

t4时间段：

该段时间内，iG向Cgc充电，VGE维持在VGE,IO，iC维持在满载电流Io，而VCE以 (VGG-VGE,Io)/(RGCgc)的速度下降。VCE大幅度下降并有一个拖尾电压，这是因为Cgc在低VCE时的值较大

t5时间段：

该段时间内VGE再次以时间常数RG(Cge+Cgc,miller)增加直到VGG+，Cgc,miller为密勒电容，由于密勒效应随着VCE的降低而上升。t5时间内，VCE缓慢下降至集电极-发射极饱和电压，充分进入饱和状态。这是因为IGBT晶体管穿过线性区的速度比MOSFET慢，以及密勒电容Cgc,miller的影响。

图3 IGBT开通动作过程图解

驱动器启动过程模拟仿真：

图4 IGBT仿真模型分析结果

b.关断过程 t6时间段：
这段时间为关断延迟时间，VGE以时间常数RG (Cge+Cgc,miller)从VGG+下降到VGE,Io，VCE及iC都保持不变。 t7时间段： VCE开始上升，速度可由RG控制，如下式： t8时间段： VCE保持在Vd，iC开始下降，速度也可由RG控制，如下式： 如导通瞬间一样，t7与t8时间段会产生尖峰电压VLS= LS×diC/dt，叠加在IGBT集电极-发射极两端，这是iC两个下降阶段的第一个，是MOSFET电流部分消失的过程。 t9时间段： IGBT电流iC中的BJT部分消失的过程，该电流常被称为拖尾电流。是由注入在N-漂移区中的少子(空穴)复合行为形成的电流。因此，IGBT的开关特性劣于功率MOSFET。
IGBT驱动需要满足的性能：

图5 IGBT驱动电压及电流波形

1、要有效驱动IGBT，则驱动器的供给能量至少要满足IGBT的驱动损耗要求； 2、IGBT驱动时驱动电流会存在一个较明显的电流尖峰，驱动器要有能力满足启动时的电流尖峰的要求； 从目前主流IGBT驱动器的产品来看，IGBT驱动器应该具有的基本保护功能主要是： 1、欠压功能，包括原边输入电压欠压，副边（即IGBT端）欠压功能； 2、短路保护，也叫做退饱和检测及保护； 3、有源钳位以及米勒钳位保护； 这三种是最主要的保护功能。各自的侧重面不一样。 IGBT驱动器为什么要设计这些繁琐的保护功能？这是因为IGBT本身的特性决定的。IGBT可以看作是在MOSFET芯片的基础之上再加了一个晶闸管。主要目的是想利用MOSFET易驱动易关断的特点，以及晶闸管皮实耐用的特点。不可否认，IGBT确实继承了这些优点。 从等效模型来看，可以看作输入为MOSFET，输出为PNP三极管。但是由于IGBT芯片较MOSFET复杂，带来的后果是IGBT的寄生参数大。且又由于IGBT应用在高电压大电流的场合，因此过快的di/dt或dv/dt再结合IGBT本身较大的寄生参数，问题就出来了。 因此必须要在IGBT驱动器上下功夫。而IGBT驱动器本身又是电路组成，会引入干扰和寄生参数，尤其是在高频共模干扰的情况下，会引起IGBT损坏。IGBT驱动器的设计是难点。原理并不难。难得是如何处理减小寄生参数以及共模干扰等的影响。

审核编辑：黄飞