分析IGBT的開關(guān)波形

　　近幾年來，由于高開關(guān)速度、高電流功能、大阻塞電壓和簡單的門驅(qū)動特點，同時由于較低的傳導(dǎo)損耗及較低的狀態(tài)電壓下跌水平，絕緣門雙極晶體管(IGBT)在工業(yè)應(yīng)用和汽車應(yīng)用中正日益替代MOSFET。

　　IGBT的工業(yè)應(yīng)用包括牽引、變速馬達驅(qū)動器、不間斷電源(UPS)、感應(yīng)加熱、焊接及電信和服務(wù)器系統(tǒng)中的高頻開關(guān)式電源。在汽車行業(yè)中，點火線圈驅(qū)動電路、馬達控制器和安全相關(guān)系統(tǒng)對IGBT的需求非常龐大。

　　IGBT是雙極晶體管和MOSFET的交叉。在輸出開關(guān)和傳導(dǎo)特點方面，IGBT與雙極晶體管類似。但是，雙極晶體管是流控式的，IGBT與MOSFET則是壓控式的。為保證完全飽和及限制短路電流，建議門驅(qū)動電壓為+15V。

　　與MOSFET一樣，IGBT在門、發(fā)射器和集電極之間有電容。在門端子和發(fā)射器端子之間應(yīng)用電壓時，會以指數(shù)方式通過門電阻器RG對輸入電容充電，直到達到IGBT的特性門限電壓，確定集電極到發(fā)射器傳導(dǎo)。同樣，輸入門到發(fā)射器電容必須被放電到某個高原穩(wěn)定電壓，然后才能中斷集電極到發(fā)射器傳導(dǎo)，關(guān)閉IGBT。

　　門電阻器的尺寸對IGBT的起動特點和關(guān)閉特點有著明顯的影響。門電阻器越小，IGBT門到發(fā)射器電容充電和放電的速度越快，因此其開關(guān)時間短，開關(guān)損耗小。但是，由于IGBT的門到發(fā)射器電容和引線的寄生電感，門電阻器值小也會導(dǎo)致振蕩。為降低關(guān)閉損耗，改善IGBT對通過集電極到發(fā)射器電壓變化速率注入的噪聲的免疫力(這種噪聲對電感負(fù)荷可能會具有實質(zhì)性影響)，建議門驅(qū)動電路包括實質(zhì)性的開關(guān)偏置。

　　IGBT的最佳性能隨應(yīng)用變化，必須相應(yīng)地設(shè)計門驅(qū)動電路。在硬開關(guān)應(yīng)用中，如馬達驅(qū)動器或不間斷電源，必須選擇門驅(qū)動參數(shù)，以便開關(guān)波形不會超過IGBT的安全工作區(qū)。這可能意味著犧牲開關(guān)速度，要以開關(guān)損耗為代價。在軟開關(guān)應(yīng)用中，開關(guān)波形完全落在安全工作區(qū)內(nèi)，可以把門驅(qū)動設(shè)計成短開關(guān)時間及較低的開關(guān)損耗。

　　圖9. IGBT的開關(guān)波形。

　　為優(yōu)化IGBT門驅(qū)動設(shè)計，設(shè)計工程師必須了解設(shè)備在實際負(fù)荷條件下的開關(guān)特點。為分析這些開關(guān)特點，可以使用一系列單個脈沖激勵I(lǐng)GBT的門，同時使用示波器測量門到發(fā)射器電壓、集電極到發(fā)射器電壓和集電器電流。由于能夠生成高幅度脈沖，AFG3011任意波形/函數(shù)發(fā)生器特別適合完成這一任務(wù)。由于IGBT的集電極到發(fā)射器電壓對電感負(fù)荷的動態(tài)范圍非常高，因此要求使用高壓差分探頭進行測量。可以使用標(biāo)準(zhǔn)無源探頭測量門到發(fā)射器電壓，使用非插入型電流探頭測量集電極電流。