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

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。
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。
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。
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。
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
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。


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。

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。
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