IGBT功率模块的开关特性有哪些呢？

IGBT 功率模块的开关特性是由它的内部结构，内部的寄生电容和内部和外接的电阻决定的。在理想状态我们只需要一个零功率的电压信号加在MOS 基极，就可以启动开关。但在实际中在元器件内部电容存储的电荷必须释放，所以 需要一个相同开关频率的驱动功率信号。另外，换流过程也受到寄生电感的影响。寄生电感存在于模块的端口回路中以及模块内部，以及连接晶体管芯片的连接线中。

然而，这些参数只能有限制的被用来计算IGBT 的开关特性。例如，在晶体管开通的状态下(VCE < VGE)输入和反馈电容增加很大。所以，在数据文件中给出了栅极电量曲线，它可以用来近似计算开关时间和栅极需求。

IGBT 的开关特性可以被看成只有感性电阻负载的硬性开通和关断。也就是说，负载的时间常数L/R 远比开关的周期1/f 要大。图描述了集电极电流和集电极-发射极电压同栅极控制电压VGE 的关系。图描述了在硬性开通和关断时，工作点的移动，ic = f(vCE)。因为功率MOSFET同IGBT 在这点上只有很小偏差，如图是这两种元器件的解释。

硬性开关的特点就是，在开通或关断很短的时间内，晶体管的电流和电压升高，因为在负载回路中，续流二极管阻止了因为电感而产生的电流突变。

在晶体管开通时，续流二极管只有在负载电流完全地换流到晶体管后，才能开始承受截止电压（关断）。因此，集电极电流必须先达到负载电流的幅度，然后才是集电极-发射极电压降落到通态压降值。

在晶体管关断时，续流二极管只有在它的极性为正扁后，才开始接续负载电流（开通）。这一条件的出现要求在集电极-发射极电压先达到换流电压的水平。

通过被动的缓冲网络（现在很少使用 ）能使工作点紧靠坐标轴。开关损耗被从晶体管转移到缓冲电路，大部分整体效率会下降。除了受电流和电压以及开关时间限制外，晶体管的工作点移动还受到其他各种（非理想性的）因素的影响。所以，在数据文件中给出了适用于不同运行状态下安全运行区域（SOA）。

除了晶体管和二极管的非理想性特性的影响，电流回路中一些被动元器件也会对功耗和工作点的移动造成很大影响。

如图所示，在IGBT开通后的数十纳秒内，集电极-发射极电压会迅速下降到某一数值，该数值对应了n-区的电压降。最后n-区充满了p 集电极的正载流子。经过几百纳秒到几微秒IGBT 的动态饱和电压VCE(sat)dyn 降到通态压降值VCE(sat)。

 

开通：0 到t1 时间段 (晶体管截止状态)

随着开通栅极电压，栅极电流iG开始流动。在达到电荷量QG1 之前，电流iG对栅极电容CGE 充电，栅极-发射极电压VGE 按照一个时间常数 上升，这个时间常数时由IGBT 的输入电容和栅极控制回路的电阻决定的。因为电压VGE 小于门限电压VGE(th)，所以在这个时间段没有集电极电流。

开通：t1 到t2 时间段 (集电极电流上升)

在达到门限电压VGE(th) (t1)后，集电极电流开始上升，同样，IGBT 的电压VGE 也上升，因为在主动工作区中，它同电流和电流上升率的关系为IC = gfs · VGE。这种状态一直到t2 时刻，VGE1 = IC/gfs (时刻 t2)。因为直到t2 时刻续流二极管才关闭，所以在t2 时刻以前，VCE 不会降到额定值。在t2 时刻在基极的存储的电量为电量QG2。IGBT 所产生的大部分损耗出现在这个时间段中，因为当电流iC 小于负载电流IL时，必须有一部分电流流过续流二极管，而这时的集电极-发射极电压vCE 还没有在驱动电压VCC 的条件下，下降到额定值。图给出了电压VCC 和VCE 偏差，这个偏差主要是由IGBT 和换流回路中的寄生电感上的压差所引起的。

开通：t2 到t3 时间段 (晶体管在主动区域开通，平坦区)

随着续流二极管的关断，电压VCE 开始下降。到t3 时刻已接近通态压降VCE(sat)。在t2 到t3 时间段中，集电极电流同栅极控制电压还保持转移率的关系，所以电压vGE几乎保持一个固定值。在电压vCE 下降过程中基极电流向米勒电容CCG充电，充电量为(QG3-QG2)。在t3 时刻在基极的电荷量为QG3。经过换流全部负载电流IL流过IGBT 时，续流二极管进入截止状态。因为续流二极管的延迟时间，在续流二极管进入截止时，IGBT 的集电极电流iC 还会保持上升，使二极管的反向电流IRRM超过电流IL。这使二极管中的截止延迟电荷量Qrr 下降。

开通：t3 到t4 时间段 (饱和区)

IGBT 在t3 时刻被完全开通，它的工作点通过了主动区开始进入饱和区。电压VGE同电流IC 不再通过转移率gfs 有联系。此时，栅极增加的电荷量(QGtot -QG3)使栅极电压进一步上升，只至达到VGG。集电极-发射极电压VCE 虽然快速上升，但还没有达到它的稳定导通值VCEsat。它根据电压VGG 和电流 IC 的大小，同n-漂移区的载流子一起，一般需要几百纳秒或几微秒时间来调整。这个达到动态饱和VCE(sat)dyn = f(t)的时间，就是（双极的）过溢的载流子（导通离子）通过IGBT n-漂流区所必须的时间。

关断

我们可以把关断时理解成开通的反向工作流程形式，在基极的电荷QGtot 必须通过控制电流释放掉。首先内部电容释放电荷，这些电荷在流通区域内被清除。所以，在这个区域内，中性干扰会很快被消除，集电极电流在开始阶段下降很快。当发射极电流在n 区被关断后，n 漂移区内还有大量由IGBT 集电极注入的p 载流子。它们必须通过再结合或者反注入的方式被清除。这就产生了集电极的拖尾电流。这个拖尾电流会同加在集电极-发射极电压有几微秒的重合，它就决定了IGBT 作为硬性开关的功率损耗的形状和长度。

图中给出了在关断后电压vCE 产生上冲并超过电压VCC，造成的主要原因是换流电路内的寄生感应电感和IGBT 在关闭时增加的电流变换率dic/dt。当晶体管构成的开关同理想的硬性开关相差越大（比如在换流电路中的感应元素），基极-发射极电压波形的台阶就越模糊。在用续流二极管构成的硬性开关特性是非常复杂的。

  




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