IGBT雙脈沖仿真—脈沖寬度、負柵極電壓、發射極寄生電感的影響

(1)IGBT和柵極鉗位TVS二極管結構

(2)雙脈沖開關特性：

VGE1=15V（100us）,VGE2=-3V(100us),Ls=10nH

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IGBT開通和關斷過程描述：

圖1 IGBT開通過程波形

開通過程簡述：

a)階段1(0—t1)：在此階段，柵極電流開始對柵電容CGE充電，但是VGE

b)階段2(tl—t2)：在t1時刻，VGE>Vth，溝道開啟，電子開始通過溝道注入到基區，同時背面的集電極開始向基區內注入空穴，集電極開始產生電流IC，此時IC

c)階段3(t2—t3)：在t2時刻，IC=IL，流過續流二極管的電流降低至0，二極管內部載流子開始復合。

d)階段4(t3—t4)：續流二極管內部載流子已經完成復合，續流二極管兩端電壓開始上升，這導致IGBT兩端的電壓下降和柵極集電極電容CGC放電。此時IGBT電流Ic形成過沖，過沖的大小與CGC大小有密切關系，CGC越大，IC過沖越大。

e)階段5(t4—t5)：在t4時刻，VGE將調整以適應IC的過沖，在t5時刻，二極管反向恢復完成，VGE將會略微下降，使IGBT可以承受負載電流IL。在此階段，柵極發射極電壓VGE保持恒定，柵極電流流入至柵極集電極電容CGC，集電極發射極兩端電壓隨著CGC放電而下降。

f)階段6(t6—t7)：在t6時刻，VCE下降到使IGBT進入飽和狀態，柵極反射極電壓增加以維持IL，當VCE衰減穩定后，穩定值即為飽和導通壓降VCE(sat)，到此開通過程完全結束。

圖2 IGBT關斷過程波形

關斷過程簡述：

a)階段1(0—t1)，在t=0時刻，開關S動作，lGBT開始關斷，柵極通過RG開始放電，VGE下降。這導致通過溝道注入到基區的電子數量變少，但是由于感性負載的存在，通過抽取N基區中多余的電子和空穴來抑制IC的減小。

b)階段2(tl—t3)在t1時刻，基區內剩余電荷降為0，耗盡區開始形成。在VCE較小時，柵壓維持在VGP(VGP的大小與柵極電阻RG成正比)，當VCE超過一定限度時，柵壓開始下降。

c)階段3(t3—t6)在t3時刻，VCE達到電路外加電壓VDC，耗盡區不再展寬，此時集電極電路IC迅速下降，由于IC的下降在負載電感上感生一個負電壓，此時VCE過沖到最大值，感生電壓使續流回路導通，負載電流轉移到續流回路。IGBT關斷完成。

在IGBT開關過程中通常用開通延遲td(on)、關斷延遲td(off)、上升時間tr和下降時間tf來進行描述。圖5是IGBT整個開關過程的波形。

圖3 IGBT整個開關過程波形