IGBT静态特性与开关特性

IGBT ，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由 MOSFET （输入级）和 PNP 晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有 MOSFET 器件驱动功 率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于 MOSFET 与功率晶体管之间，可正常 工作于几十 kHz 频率范围内。

理想等效电路与实际等效电路如图所示：

IGBT 的静态特性一般用不到，暂时不用考虑，重点考虑动态特性（开关特性）。动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取：

IGBT 的开通过程

IGBT 在开通过程中，分为几段时间

1. 与 MOSFET 类似的开通过程，也是分为三段的充电时间

2. 只是在漏源 DS 电压下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和过程中增加了一 段延迟时间。

在上面的表格中，定义了了：开通时间Ton ，上升时间Tr 和Tr.i

除了这两个时间以外，还有一个时间为开通延迟时间td.on:td.on=Ton-Tr.i

IGBT在关断过程

IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。

第一段是按照MOS管关断的特性的

第二段是在MOSFET关断后，PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放，造成漏极电流较长的尾部时间。

在上面的表格中，定义了了：关断时间Toff，下降时间Tf 和Tf.i

除了表格中以外，还定义trv 为DS端电压的上升时间和关断延迟时间td（off）。

漏极电流的下降时间Tf 由图中的t（f1）和t（f2）两段组成，而总的关断时间可以

称为toff=td（off）+trv 十t（f），td（off）+trv 之和又称为存储时间。

从下面图中可看出详细的栅极电流和栅极电压，CE电流和CE电压的关系：

从另外一张图中细看MOS管与IGBT管栅极特性可能更有一个清楚的概念：

开启过程

关断过程

尝试去计算IGBT的开启过程，主要是时间和门电阻的散热情况。

C.GE 栅极-发射极电容

C.CE 集电极-发射极电容

C.GC 门级-集电极电容（米勒电容）

Cies =CGE+CGC 输入电容

Cres =CGC 反向电容

Coes =CGC+CCE 输出电容

根据充电的详细过程，可以下图所示的过程进行分析

对应的电流可简单用下图所示：

第1阶段：栅级电流对电容CGE进行充电，栅射电压VGE上升到开启阈值电压VGE（th）。这个过程电流很大，甚至可以达到几安培的瞬态电流。在这个阶段，集电极是没有电流的，极电压也没有变化，这段时间也就是死区时间，由于只对GE电容充电，相对来说这是比较容易计算的，由于我们采用电压源供电，这段曲线确实是一阶指数曲线。

第2 阶段：栅极电流对Cge 和Cgc 电容充电，IGBT 的开始开启的过程了，集电极电流开始增加，达到最大负载电流电流IC ，由于存在二极管的反向恢复电流，因此这个过程与MOS 管的过程略有不同，同时栅极电压也达到了米勒平台电压。第 3 阶段：栅极电流对Cge 和Cgc 电容充电，这个时候VGE 是完全不变的，值得我们注意的是Vce 的变化非常快。

第 4 阶段：栅极电流对Cge 和Cgc 电容充电，随着Vce 缓慢变化成稳态电压，米勒电容也随着电压的减小而增大。Vge 仍旧维持在米勒平台上。

第5 阶段：这个时候栅极电流继续对Cge 充电，Vge 电压开始上升，整个IGBT 完全打开。

我的一个同事在做这个将整个过程等效为一阶过程。如果以这个电路作为驱动电路的话：

驱动的等效电路可以表示为：

利用RC的充放电曲线可得出时间和电阻的功率。

这么算的话，就等于用指数曲线，代替了整个上升过程，结果与等效的过程还是有些差距的。不过由于C.GE，C.CE，C.GC是变化的，而且电容两端的电压时刻在变化，我们无法完全整理出一条思路来。

很多供应商都是推荐使用Qg来做运算，计算方法也可以整理出来，唯一的变化在于Qg是在一定条件下测定的，我们并不知道这种做法的容差是多少。

我觉得这种做法的最大的问题是把整个Tsw全部作为充放电的时间，对此还是略有些疑惑的。

说说我个人的看法，对这个问题，定量的去计算得到整个时间非常困难，其实就是仿真也是通过数字建模之后进行实时计算的结果，这个模型与实际的条件进行对比也可能有很大的差距。

因此如果有人要核算整个栅极控制时序和时间，利用电容充电的办法大致给出一个很粗略的结果是可以的，如果要精确的，算不出来。对于门级电阻来说，每次开关都属于瞬态功耗，

可以使用以前介绍过的电阻的瞬态功率进行验算吧。

电阻抗脉冲能力

我们选电阻的大小是为了提供足够的电流，也是为了足够自身散热情况。前级的三极管，这个三极管的速度要非常快，否则如果进入饱和的时间不够短，在充电的时候将可能有钳制作用，因此我对于这个电路的看法是一定要做测试。空载的和带负载的，可能情况有很大的差异。栅极驱动的改进历程和办法（针对米勒平台关断特性）

前面都讲了一些计算的东西，这次总结一些设计法则。

栅极电阻：其目的是改善控制脉冲上升沿和下降沿的斜率，并且防止寄生电感与电容振荡，限制IGBT集电极电压的尖脉冲值。

栅极电阻值小——充放电较快，能减小开关时间和开关损耗，增强工作的耐固性，避免带来因dv/dt 的误导通。缺点是电路中存在杂散电感在IGBT上产生大的电压尖峰，使得栅极承受噪声能力小，易产生寄生振荡。

栅极电阻值大——充放电较慢，开关时间和开关损耗增大。

一般的：开通电压15V±10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关损耗最小，当《12V 时通态损耗加大，》20V时难以实现过流及短路保护。关断偏压-5到-15V目的是出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值约为-8～10V。

栅极参数对电路的影响

IGBT内部的续流二极管的开关特性也受栅极电阻的影响，并也会限制我们选取栅极阻抗的最