近几年来,由于高开关速度、高电流功能、大阻塞电压和简单的门驱动特点,同时由于较低的传导损耗及较低的状态电压下跌水平,绝缘门双极晶体管(IGBT)在工业应用和汽车应用中正日益替代MOSFET。
IGBT的工业应用包括牵引、变速马达驱动器、不间断电源(UPS)、感应加热、焊接及电信和服务器系统中的高频开关式电源。在汽车行业中,点火线圈驱动电路、马达控制器和安全相关系统对IGBT的需求非常庞大。
IGBT是双极晶体管和MOSFET的交叉。在输出开关和传导特点方面,IGBT与双极晶体管类似。但是,双极晶体管是流控式的,IGBT与MOSFET则是压控式的。为保证完全饱和及限制短路电流,建议门驱动电压为+15V。
与MOSFET一样,IGBT在门、发射器和集电极之间有电容。在门端子和发射器端子之间应用电压时,会以指数方式通过门电阻器RG对输入电容充电,直到达到IGBT的特性门限电压,确定集电极到发射器传导。同样,输入门到发射器电容必须被放电到某个高原稳定电压,然后才能中断集电极到发射器传导,关闭IGBT。
门电阻器的尺寸对IGBT的起动特点和关闭特点有着明显的影响。门电阻器越小,IGBT门到发射器电容充电和放电的速度越快,因此其开关时间短,开关损耗小。但是,由于IGBT的门到发射器电容和引线的寄生电感,门电阻器值小也会导致振荡。为降低关闭损耗,改善IGBT对通过集电极到发射器电压变化速率注入的噪声的免疫力(这种噪声对电感负荷可能会具有实质性影响),建议门驱动电路包括实质性的开关偏置。
IGBT的最佳性能随应用变化,必须相应地设计门驱动电路。在硬开关应用中,如马达驱动器或不间断电源,必须选择门驱动参数,以便开关波形不会超过IGBT的安全工作区。这可能意味着牺牲开关速度,要以开关损耗为代价。在软开关应用中,开关波形完全落在安全工作区内,可以把门驱动设计成短开关时间及较低的开关损耗。
图9. IGBT的开关波形。