IGBT模塊關(guān)斷電阻對(duì)關(guān)斷尖峰的非單調(diào)性影響

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?在IGBT模塊的使用過(guò)程中，關(guān)斷時(shí)刻的電壓尖峰限制著系統(tǒng)的工作電壓，特別在高壓平臺(tái)的應(yīng)用中對(duì)于模塊電壓尖峰要求更高，有些還會(huì)增加有源鉗位功能來(lái)限制電壓尖峰。排除模塊本身特性外，關(guān)斷尖峰由回路電感和驅(qū)動(dòng)參數(shù)決定。其中回路電感由系統(tǒng)整體的布局結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)確定后往往很難繼續(xù)優(yōu)化，所以匹配驅(qū)動(dòng)參數(shù)時(shí)尖峰電壓也是必須要考慮的因素。

在確定的使用工況下，驅(qū)動(dòng)電路中可調(diào)參數(shù)一般都只剩門(mén)級(jí)電容與門(mén)級(jí)電阻，其中門(mén)級(jí)電容對(duì)于器件關(guān)斷過(guò)程影響較小，想要一個(gè)較好的效果往往需要選取上百nF的電容，極大的門(mén)級(jí)電容會(huì)給驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力與隔離設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)，甚至?xí)?lái)LC震蕩問(wèn)題，所以門(mén)級(jí)電容調(diào)整范圍一般較小，普遍通過(guò)門(mén)級(jí)電阻來(lái)調(diào)整電壓尖峰。

門(mén)級(jí)電阻調(diào)整時(shí)，大量的工程經(jīng)驗(yàn)告訴我們，門(mén)極電阻增大、關(guān)斷速度減慢、關(guān)斷損耗增加、電壓尖峰減小。這個(gè)規(guī)律從NPT型IGBT到FS型IGBT一直都非常直接且有效，但是現(xiàn)在器件漸漸切換至溝槽柵(Trench)IGBT，從關(guān)斷損耗來(lái)看電阻對(duì)關(guān)斷的影響已經(jīng)大幅減弱(圖1)，但是關(guān)斷電阻對(duì)于Trench結(jié)構(gòu)IGBT的影響不僅僅是單純的減弱。

圖1：FS IGBT與Trech-FS IGBT開(kāi)關(guān)損耗隨電阻變化曲線

圖2為一款具有Trench結(jié)構(gòu)的IGBT模塊在相同的電壓電流下，不斷增大電阻后得到的波形?？梢钥吹剑T(mén)級(jí)波形中，其米勒平臺(tái)電壓越來(lái)越高，維持時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，與無(wú)Trench結(jié)構(gòu)IGBT一致；但是在電壓電流波形的中產(chǎn)生了特別的變化，將Vce波形起點(diǎn)對(duì)齊后很明顯其電壓尖峰隨電阻呈現(xiàn)出非單調(diào)性變化，尖峰隨著電阻的增大先上升后下降，最大值出現(xiàn)在5.6Ω。這顯然是在無(wú)Trench結(jié)構(gòu)IGBT中極少出現(xiàn)的現(xiàn)象。

圖2：電阻增大的門(mén)級(jí)波形(上)與電流電壓波形(下)

實(shí)際上最大電壓尖峰對(duì)應(yīng)的電阻不但與芯片本身相關(guān)也與模塊中芯片的并聯(lián)個(gè)數(shù)、模塊選定的工作電壓值、甚至與實(shí)際應(yīng)用電路有關(guān)，它可能對(duì)應(yīng)任何阻值。這種現(xiàn)象就要求應(yīng)用端進(jìn)行電阻選取要試用更多、范圍更大的電阻，因?yàn)樵黾与娮璧膯握{(diào)性規(guī)律在Trench結(jié)構(gòu)IGBT已經(jīng)不再適用。Trench結(jié)構(gòu)IGBT這樣獨(dú)特的特性，與它的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

首先關(guān)注IGBT的基本結(jié)構(gòu)(圖3)，一個(gè)IGBT在結(jié)構(gòu)的上等效可以為一個(gè)MOS一個(gè)PNP管與一個(gè)NPN管，在正常應(yīng)用環(huán)境下NPN管不起作用，在開(kāi)通狀態(tài)集電極電流分為經(jīng)過(guò)MOS的電子電流Inmos與經(jīng)過(guò)PNP管的空穴電流Ihpnp，所以IGBT屬于雙極型器件，并且兩種電流大小與IGBT所用襯底中電子遷移率和空穴遷移率成正比。

圖3：NPT型IGBT(左)與其等效電路(右)

在等效電路圖中可以看到，驅(qū)動(dòng)電路給予的電壓實(shí)際在控制IGBT中的MOS的電子電流，其空穴電流不受驅(qū)動(dòng)電壓直接控制。

IGBT的關(guān)斷過(guò)程大體可以分為四個(gè)階段(圖4)；階段一：柵極電壓下降，但此時(shí)柵極電壓仍然大于等效MOS在此條件下的閾值電壓，電壓電流與導(dǎo)通表現(xiàn)一致；階段二：當(dāng)柵極電壓開(kāi)始接近等效MOS在此條件下的閾值電壓，等效MOS開(kāi)始關(guān)斷動(dòng)作，電子電流開(kāi)始下降，但是由于外部為感性負(fù)載，母線電流不會(huì)突變，需要產(chǎn)生額外的電流維持負(fù)載電流，這時(shí)器件中的載流子被抽取，產(chǎn)生的電流恰好補(bǔ)充下降的電子電流，同時(shí)由于載流子消失，空間電場(chǎng)開(kāi)始建立，電壓上升，并且柵極電壓由于米勒效應(yīng)影響維持在米勒平臺(tái)附近；階段三：當(dāng)電壓上升至母線電壓后，空間電場(chǎng)仍然繼續(xù)擴(kuò)展，但電壓不再變化，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)降低，此時(shí)MOS溝道未完全關(guān)斷，電流下降過(guò)程由MOS溝道的關(guān)斷特性和載流子的抽取特性共同決定，此時(shí)電流快速下降，與外部雜散電感感應(yīng)出電壓尖峰；階段四：在電流下降至某一值后，空間電場(chǎng)寬度不再擴(kuò)展，載流子抽取停止，剩余的載流子自行復(fù)合，表現(xiàn)為電流的拖尾階段。

圖4：IGBT關(guān)斷的四個(gè)階段

很明顯電壓尖峰的產(chǎn)生與電流的快速下降有關(guān)，即與IGBT中等效MOS的關(guān)斷行為和載流子抽取行為有關(guān)，而Trench結(jié)構(gòu)IGBT中做出調(diào)整的就是其等效MOS管的結(jié)構(gòu)(圖5)，所以在關(guān)斷特性上表現(xiàn)出了明顯的不同。

圖5：FS IGBT(左)與Trench-FS IGBT(右)

可以看到，Trench結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)就是柵極進(jìn)行了向下延申，原有的平面柵在導(dǎo)通過(guò)程中的反型溝道僅僅存在于P區(qū)中靠近柵極下方的水平面，而溝槽柵在導(dǎo)通過(guò)程中反型溝道存在于P區(qū)中與柵極靠近的整個(gè)垂直區(qū)域。這使得Trench結(jié)構(gòu)IGBT導(dǎo)通過(guò)程中電子和空穴構(gòu)成的載流子濃度顯著大于平面柵結(jié)構(gòu)。同時(shí)Trench結(jié)構(gòu)可以消除平面柵存在的高阻JFET區(qū)，降低了導(dǎo)通壓降。并且有研究表明，硅基IGBT的通態(tài)飽和壓降存在理論上的最小值，要實(shí)現(xiàn)該最小值且不顯著影響器件的關(guān)斷損耗，N-基區(qū)中的通態(tài)存儲(chǔ)載流子濃度分布需呈現(xiàn)出由發(fā)射極側(cè)向集電極側(cè)逐漸遞減的特征。

圖6：各類(lèi)IGBT載流子濃度分布

圖6為各類(lèi)IGBT載流子濃度分布，其中平面柵型器件N-基區(qū)中的通態(tài)載流子濃度分布由發(fā)射極側(cè)向集電極側(cè)依次遞增，與理想分布變化趨勢(shì)相反；而溝槽柵型器件N-基區(qū)中的通態(tài)存儲(chǔ)載流子濃度由發(fā)射極側(cè)至集電極側(cè)呈現(xiàn)出近似均勻的分布，更加接近理想分布。因此，溝槽柵結(jié)構(gòu)更有利于實(shí)現(xiàn)器件通態(tài)飽和壓降與關(guān)斷損耗之間的優(yōu)化折中。Trench結(jié)構(gòu)IGBT這種更高的載流子濃度和更加理想化的載流子濃度分布，使得其在關(guān)斷時(shí)刻，負(fù)載電流靠N-基區(qū)的載流子被抽取而維持的現(xiàn)象更明顯。并且靠載流子抽取產(chǎn)生的電流僅與芯片的設(shè)計(jì)有關(guān)，驅(qū)動(dòng)回路僅能控制其中等效MOS的關(guān)斷行為。

很明顯，與無(wú)Trench結(jié)構(gòu)IGBT相比Trench結(jié)構(gòu)IGBT的載流子抽取的效果被加強(qiáng)了。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電阻較小時(shí)，米勒平臺(tái)很低，非常接近等效MOS在此條件下的閾值電壓，在電流下降階段，器件關(guān)斷過(guò)程以載流子抽取行為為主，MOS溝道關(guān)斷行為影響?。辉龃箅娮?，米勒平臺(tái)上升，MOS溝道關(guān)斷行為加強(qiáng)，載流子通過(guò)抽取行為與MOS溝道兩條路徑運(yùn)行，電流變化速度加快；繼續(xù)增大電阻，MOS溝道關(guān)斷行為占據(jù)主導(dǎo)，電流變化速度減慢，如(圖7)。

圖7：Trench IGBT在0-20Ω關(guān)斷Vpeak與di/dt

另外當(dāng)門(mén)級(jí)電阻足夠小時(shí)，米勒平臺(tái)可能低于等效MOS在此條件下的閾值電壓，那么MOS溝道在電流下降時(shí)已經(jīng)關(guān)斷，電流變化只由載流子抽取行為決定，由于載流子通道是有限的，器件的關(guān)斷速度會(huì)固定在某個(gè)值不在變化，這個(gè)現(xiàn)象在某些Trench結(jié)構(gòu)IGBT也會(huì)出現(xiàn)，但是由于材料的物理特性IGBT芯片內(nèi)部總會(huì)存在柵極電阻，芯片也不可能將閾值電壓設(shè)計(jì)設(shè)置很低，所以此現(xiàn)象很少發(fā)生。

翠展微電子在追求極致的公司理念下，設(shè)計(jì)Trench結(jié)構(gòu)時(shí)已經(jīng)考慮到這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)的附加影響，并通仿真設(shè)計(jì)，在不影響關(guān)斷損耗與導(dǎo)通損耗的情況下，使這種現(xiàn)象的影響在應(yīng)用端降至最低，這樣可以讓?xiě)?yīng)用端更方便去進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電阻的選取。翠展微電子自研芯片與模塊均已采用Trench結(jié)構(gòu)，整體損耗更低，功率密度更高，可靠性更強(qiáng)。翠展微電子以更高效，更強(qiáng)大的功率器件助力各行業(yè)增效節(jié)能，讓綠色能源成為現(xiàn)實(shí)。

審核編輯：劉清