2.1　IGBT的开通关断特性

IGBT（FZ1500RHE3）的外形和内部结构如图2-1所示。IGBT的工作原理和开通关断的暂态特性可以依照图2-2所示的由IGBT构成的单桥臂等效电路来分析［94］。假设在IGBT开通关断瞬间，负载电流不变，用恒流源i_L表示。L_za表示IGBT开关环路上所有杂散电感，u_gs为栅极外加电源，R_g为栅极电阻，C_gc、C_ge、C_ce分别为IGBT的极间寄生电容，其中C_gc又称为密勒电容。这些寄生电容的大小随IGBT的端电压反向变化，对IGBT的开关过程有重大影响。u_ce、i_c分为IGBT的端电压和集电极电流。下面对开通关断暂态过程进行分段研究。

2.1.1　开通过程

典型IGBT的开通过程中的栅极电压u_ge、集电极电流i_c和IGBT两端电压u_ce的波形如图2-3所示。从图中可以看出，整个开通过程可以分为5个阶段［92］。

阶段1：从t₀到t₁。在正的栅源电压u_gs的作用下，输入电容C_in（其值和C_gc、C_ge有关）充电，栅极电压u_ge上升至开启电压u_th。IGBT仍处于关断状态，端电压u_ce和集电极电流i_c均不变化。这段时间称为开通延迟时间t_don。如果不考虑栅极回路寄生电感L_g，则求解RC一阶电路可以得到t_don和开启电压u_th的关系：

　　（2-1）

阶段2：从t₁到t₂。栅极被继续充电，集电极电流i_c随着u_ge按一定规律快速上升，上升率di_c/dt取决于R_g、L_za及C_in。这段时间称为电流上升时间t_r，它与电流延迟时间t_don之和即为IGBT的开通时间t_on。电流的快速上升在杂散电感L_za上产生感应电压降，使IGBT的端电压u_ce有所下降，减少的电压Δu_ce可按式（2-2）进行计算。因此，通过测量IGBT开通过程阶段2对应的u_ce减少值和此时的电流上升率，可以反推出环路杂散电感L_za的大小。

　　（2-2）

阶段3：从t₂到t₃。由于大电流下电流增益变大，使得密勒效应作用明显，等效输入电容C_in急剧增大，从而栅极电压基本不变，出现栅极电压平台。u_ce快速下降。假设IGBT开通前，负载电流经过续流二极管续流，则IGBT电流开始快速上升后，此时二极管开始承受反向电压，进入反向恢复关断过程，较大的反向恢复电流i_rr与负载电流i_L叠加使得阶段3的初期电流i_c出现电流尖峰i_p。即

i_p=i_L+i_rr　　（2-3）

反向恢复过程过后，电流i_c从尖峰值回落到负载电流i_L。这段时间称为IGBT端电压的快速下降时间t_fv1，对应IGBT内部等效MOS管的饱和导通。MOS管快速导通，端电压快速下降。

阶段4：从t₃到t₄。由于密勒效应，等效输入电容C_in依然很大，使得栅极电压u_ge继续保持不变。同时，电流i_c保持负载电流不变，u_ce缓慢下降至接近通态压降。在t₄时刻，由于u_ce下降已经变得很小，从而根据datasheet知密勒电容C_gc急剧变大，分担大部分流，使得对C_in充电的电流i_g变小。由晶体管的特性知i_g越小则电流增益越小，从而密勒效应减弱，C_in减小，同时u_ge在驱动电源u_gs充电下继续上升，密勒平台消失，IGBT处于导通状态。

阶段5：从t₄到t₅。栅极电压u_ge继续上升到u_gh，电流稳定在负载电流i_L，电压u_ce缓慢下降到通态饱和压降u_cesat。从t₃到t₅的这段时间称为IGBT端电压缓降时间t_fv2，对应IGBT内部等效GTR管的饱和导通。由于低u_ce下C_gc增大，使得i_g较小，从而延长了GTR管的饱和导通时间，造成端电压的缓慢下降。

2.1.2　关断过程

IGBT的关断过程与开通过程相反。典型IGBT的关断过程中的栅极电压u_ge、集电极电流i_c和IGBT两端电压u_ce的波形如图2-4所示。从图中可以看出，整个关断过程也可以分为5个阶段。

阶段1：从t₀到t₁。在负的栅源电压u_gs的作用下，输入电容C_in开始放电，栅极电压u_ge下降。IGBT仍处于开通状态，端电压u_ce和集电极电流i_c均不变化。

阶段2：从t₁到t₂。端电压u_ce开始缓慢上升，du_ce/dt引起的位移电流通过密勒电容C_gc向输入电容C_in充电。由于这种反馈作用，栅极电压u_ge在阶段2几乎不变，出现密勒平台。IGBT处于临界饱和开通状态，集电极电流i_c保持不变。

阶段3：从t₂到t₃。端电压u_ce继续上升，du_ce/dt通过C_gc引起的反馈感应电流依然存在，使得栅极电压u_ge在阶段3几乎不变，密勒平台继续。在t₃时刻，u_ce上升到一个临界点，引起密勒电容C_gc急剧减小，使得从集电极到栅极的反馈电流急剧减小，从而栅极电压开始由密勒平台电压下降，密勒平台消失。电压u_ce的快速上升，在续流二极管的寄生电容C_d上引起位移电流，造成集电极电流i_c下降，出现下降缺口，减小的部分可表示为：

　　（2-4）

从t₀到t₃这段时间，称为IGBT的关断延迟时间t_doff。关断延迟时间同样与栅极电阻R_g和输入电容C_in有关。

阶段4：从t₃到t₄。栅极电压继续下降至开启电压u_th，IGBT退出饱和导通，内部等效MOS管开始快速关断，造成u_ce快速上升。当u_ce快速上升到外加电压u_d大小时，续流二极管开始正向偏置导通，其电流快速上升，同时集电极电流i_c快速下降，持续的时间称为电流快降时间t_fi1。i_c的快速下降在线路杂散电感L_za上引起较大的感应电压，与外加直流电压一起叠加在IGBT的两端，造成电压过冲尖峰u_p。通过测量关断阶段4的电压尖峰以及对应的电流下降率，也可以计算出线路杂散电感的大小。

　　（2-5）

在该阶段后期，电流下降变慢，u_ce也从尖峰电压处开始下降。

阶段5：从t₄到t₅。该阶段称为拖尾电流期，持续的时间称为电流缓降时间t_fi2。它对应内部等效GTR的关断过程。因为在第一部分末尾，等效功率MOS管已关断，IGBT又无反向电压，N基区内的少子复合缓慢，造成集电极电流有较长的下降过程。从t₃到t₅的时间等于t_fi1+t_fi2，称为关断电流下降时间t_f，它与关断延迟时间t_doff的和，称为IGBT的关断时间。