1.功率MOSFET器件的开通过程

功率MOSFET器件是一个典型的单极型器件，其开通过程反映了单极型器件的开通特性。实验电路如图5-27所示。开通过程可以用四段过程来说明，如图5-28所示，图中给出了功率MOSFET器件开通过程的电压、电流波形。假定MOSFET管子的初始条件为：u_GS=0，I_D=0，u_DS=U_DD。

图5-27 MOSFET半桥电路

图5-28 MOSFET开通波形示意图

阶段1：阶跃信号电压U_G加在栅极驱动电阻R_G上，由于驱动电压远大于MOSFET的栅极开启电压，即U_G>U_T，功率MOSFET器件的内部电容C_GS和C_GD经过R_G充电，在时间t₁时刻，栅极电压等于栅极开启电压，即u_GS=U_T，这一区间的电压u_GS（t）表达式为

只要电压u_GS<U_T，MOSFET就可认为不流过电流，把u_GS=U_T代入上式，得

式中 t₁——延迟时间。

阶段2：从t₁开始，漏极D电流开始增加，续流二极管电流开始转移到漏极，直到漏极电流等于负载电流I_O，此时换流二极管仍导通，MOSFET承受全部的电源电压U_DD，由于负载电感被二极管短路，所以没有密勒增益和密勒电容。栅极电压按上面公式上升，漏极D电流假定按线性增加（增益为g_m），因此

在t₂时刻，负载电流完全转移到漏极，换流二极管反向偏置，MOSFET有了密勒增益。

阶段3：从t₂开始，漏极电压开始下降，漏极电流为常数I_O，u_GS也为常数U_GP，则

栅极电流(www.daowen.com)

在t₃时刻，u_DS下降到MOSFET的导通压降U_F，MOSFET进入导通状态，u_DS下降时间计算得

阶段4：在t₃之后，MOSFET进入线性区，传输增益g_m不是常数，栅极电压继续升高，把电容C_GS和C_GD充电至U_G。若i_D按线性增大，则表达式可写为

2.IGBT器件的开通过程

IGBT是混合型器件，其在导通期间，集电极电流受U_GE电压控制，与功率MOSFET导通过程类似。IGBT在应用中一般反并联一个同样电流等级的二极管，在如图5-29所示的桥式电压型变换器应用中，感性负载导通时刻前，负载电流I_O流过桥臂上另一个与IGBT反并联的续流二极管。图5-30是不考虑反并联二极管反向恢复时间和杂散电感时的理想导通波形，栅极驱动电压U_G在t₀时刻通过栅极电阻R_G加到IGBT栅极，U_GE开始上升，向IGBT的栅射极电容充电，当U_GE上升到IGBT的开启电压时，IGBT集电极电流I_C开始随着U_GE的上升而上升，同时续流二极管的电流开始下降，续流二极管电流和IGBT电流之和等于输出电流I_O。

在t₁～t₂期间，续流二极管的电流下降但仍处于正向偏置导通，这意味着直流母线电压仍然加在IGBT的C和E两端，IGBT分担输出电流I_O的一部分，这一期间IGBT的功率损耗较大。从t₂时刻起，负载电流I_O全部由IGBT负担，即I_O=I_C。此时，二极管电流下降到零。假设二极管没有反向恢复时间，从此刻起，二极管开始承受反向电压，从t₂～t₃这一期间，二极管承受的反向电压逐步上升，与此同时，IGBT的U_CE逐步下降，在t₃时刻，IGBT达到其饱和压降U_CE（sat），交换过程全部结束。

图5-29 IGBT的半桥电路

图5-30 IGBT导通时的理想电压电流波形

图5-31 IGBT开通时的电流电压波形

图5-31是IGBT的一个实际波形，考虑了二极管反向恢复和杂散电感，当IGBT电流I_C在t₁时刻开始上升时，杂散电感影响着电流变化率，u_CE下降引起电容C_GC（密勒电容）放电，该电流从栅极流向集电极，减少了向栅射极电容充电，从而使u_GE上升率减少，导致集电极电流上升率减少。在t₂时刻，如前所述，二极管正向电流为零，它需要时间恢复其阻断特性然后才能承受反向电压，认为负载电流在此过程中不发生改变，则二极管反向恢复电流需要IGBT承担，此时IGBT电流超过输出电流。在t₃时刻，流过IGBT的电流等于输出电流I_O和二极管反向恢复峰值电流I_RR之和，二极管开始恢复其反向阻断能力，反向恢复电流逐步减少，二极管反向电压的上升引起u_CE迅速下降。在这一期间，IGBT和二极管都有能量损耗。负的du_CE/dt引起密勒电容从栅极到集电极的电流，从而使u_GE有短暂的下降。在t₄时刻，由于杂散电感和杂散电容而引起的振铃现象。在t₄和t₅期间，IGBT的集电极电压达到稳定状态，u_GE大小恰好与集电极电流情况相适应，此过程中u_GE保持恒定，因此流过栅极驱动电阻的电流恒定，这一电流流过密勒电容。当u_CE接近IGBT的饱和压降时，du_CE/dt缓慢减少，这是由于当u_CE接近IGBT的饱和压降时，密勒电容增大2～3个数量级，一旦u_CE达到稳态值，du_CE/dt减小到零，栅极驱动电流恢复对栅射极电容充电，u_GE上升到栅极驱动电压，在t₅时刻IGBT充分导通。减少栅极驱动电压不仅减少集电极电流初始上升率，而且导致集电极电压下降减慢，这两种情况都引起较高的导通损耗。