詳細(xì)IGBT的開(kāi)通過(guò)程(IGBT結(jié)構(gòu)及工作原理)

IGBT開(kāi)通過(guò)程的分析

IGBT作為具有開(kāi)關(guān)速度快，導(dǎo)通損耗低的電壓控制型開(kāi)關(guān)器件被廣泛應(yīng)用于高壓大容量變頻器和直流輸電等領(lǐng)域。現(xiàn)在IGBT的使用比較關(guān)注的是較低的導(dǎo)通壓降以及低的開(kāi)關(guān)損耗。作為開(kāi)關(guān)器件，研究它的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程當(dāng)然是必不可少的，今天我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)IGBT的開(kāi)通過(guò)程。

一開(kāi)始我們簡(jiǎn)單介紹過(guò)IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，不同的行業(yè)對(duì)使用IGBT時(shí)，對(duì)于其深入的程度可能不一樣，但是作為一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程，我覺(jué)得有必要了解一下。隨著載流子壽命控制等技術(shù)的應(yīng)用， IGBT關(guān)斷損耗得到了明顯改善; 此外，大功率IGBT 器件內(nèi)部續(xù)流二極管的反向恢復(fù)過(guò)程，極大地增加了IGBT 的開(kāi)通損耗，因此，IGBT的開(kāi)通過(guò)程越來(lái)越引起重視。

分析IGBT 在不同工況條件下的開(kāi)關(guān)波形，對(duì)器件華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)2017 的開(kāi)通損耗、可能承受的電氣應(yīng)力、電磁干擾噪聲

等進(jìn)行評(píng)估，為驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行優(yōu)化提供指導(dǎo)，從而改善IGBT 的開(kāi)通特性。由于實(shí)際運(yùn)用中，我們遇到的大多負(fù)載都屬于感性負(fù)載，所以今天我們就基于感性負(fù)載的情況下聊聊IGBT的開(kāi)通過(guò)程，從IGBT 阻斷狀態(tài)下的空間電荷分布開(kāi)始分析，研究了IGBT 輸入電容隨柵極電壓變化的關(guān)系，揭示了柵極電壓密勒平臺(tái)形成的機(jī)理，分析了驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)柵極電壓波形的影響。研究了IGBT 集電極電流的上升特點(diǎn); 分析了IGBT 集射極電壓的下降特點(diǎn)，揭示了回路雜散電感對(duì)集射極電壓的影響規(guī)律。

02IGBT的基本結(jié)構(gòu)

前面我們也簡(jiǎn)單的講過(guò)了IGBT的基本結(jié)構(gòu)，IGBT是由雙極型功率晶體管(高耐壓、大容量)和MOSFET(高開(kāi)關(guān)速度)構(gòu)成，所以IGBT具有了兩種器件的特性，高耐壓、大電流、高開(kāi)關(guān)速度。

上圖是IGBT芯片的橫向截面圖，圖中的P+和N+表示集電區(qū)和源區(qū)為重?fù)诫s，N-表示基區(qū)摻雜濃度較低。IGBT和MOSFET一樣，在門(mén)極上外加正向電壓即可導(dǎo)通，但由于通過(guò)在漏極上追加了P+層，使得在導(dǎo)通狀態(tài)下，P+層向N基極注入空穴，從而引發(fā)了傳導(dǎo)性能的轉(zhuǎn)變，因此，IGBT和MOSFET相比，可以得到極低的通態(tài)電阻，也就是IGBT擁有較低的通態(tài)壓降。

由圖1(a)可知，單個(gè)IGBT元胞內(nèi)包括一個(gè)MOSFET，一個(gè)PNP 晶體管和一個(gè)NPN 晶體管。PNP晶體管集電極(P基區(qū))與NPN 晶體管發(fā)射極(N+源區(qū))之間的電壓降用等效電阻Rs表示，當(dāng)Rs足夠小時(shí)，NPN晶體管的影響可以忽略不計(jì)(后面我們講到IGBT擎住效應(yīng)的時(shí)候，這個(gè)寄生的NPN晶體管就會(huì)有所涉及，當(dāng)然，還包括等效電阻Rs)。通常情況下，IGBT的等效電路模型如圖1(b)右圖所示。

03開(kāi)通延遲過(guò)程

IGBT柵極電容的組成

Ciss= CGE+ CGC輸入電容

Coss= CGC+ CEC輸出電容

Crss= CGC 米勒電容

下面是比較詳細(xì)的電容分布：

對(duì)于IGBT 器件，柵極電容包括四個(gè)方面電容，如上圖所示：

(1)柵極—發(fā)射極金屬電容C1

(2)柵極—N + 源極氧化層電容C2

(3)柵極—P 基區(qū)電容Cgp，Cgp由C3，C5構(gòu)成;

(4)柵極—集電極電容Cgc，Cgc由C4，C6構(gòu)成。其中，柵極—發(fā)射極電容( 也稱(chēng)為輸入電容) 為Cge = C1 + C2 + Cgp，柵極—集電極電容( 也稱(chēng)為反向傳輸電容或密勒電容) 為Cgc。此外，Cgp隨柵極電壓的變化而變化，Cgc隨IGBT 集射極電壓的變化而變化。電容Cgp的變化趨勢(shì)如下圖 所示。因此，Cgp隨著電壓的增加，其電容值先減小，隨著電壓的進(jìn)一步增加，其大小又逐漸增加，并達(dá)到穩(wěn)定值。

開(kāi)通延時(shí)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)回路等效電路

由于在IGBT 集電極電流上升之前， IGBT 仍然處于關(guān)斷狀態(tài)，柵極電壓的變化量相對(duì)于IGBT的阻斷電壓可以忽略不計(jì)。因此，柵極電壓的上升過(guò)程對(duì)于柵極—集電極電容( Cgc) 及其電荷量的影響可以忽略不計(jì)，因此開(kāi)通延時(shí)階段的充電過(guò)程只針對(duì)電容C1、C2和Cgp。因此，結(jié)合驅(qū)動(dòng)回路的等效電路，可以得到上述充電過(guò)程中驅(qū)動(dòng)回路的等效電路如下圖所示：

其中Vg為柵極驅(qū)動(dòng)板輸出電壓，Ｒg為驅(qū)動(dòng)電阻，Cin為驅(qū)動(dòng)板輸出端口電容，Ｒs和Ls分別為驅(qū)動(dòng)回路寄生電阻和寄生電感。柵極電壓開(kāi)始上升一段時(shí)間后達(dá)到閾值電壓，集電極電流開(kāi)始上升，這個(gè)過(guò)程也稱(chēng)之為開(kāi)通延遲，一般我們表示為td(on)。

基于上述分析可知，柵極電壓在到達(dá)閾值電壓之前，輸入電容并不是恒定值，而是有一個(gè)由大逐漸變小，再逐步增大的過(guò)程。因此，在IGBT 開(kāi)通過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)回路并不是給恒定電容充電。下圖是開(kāi)通過(guò)程?hào)艠O電壓上升趨勢(shì)：

米勒平臺(tái)過(guò)程

柵極電壓在上升到一定值后，會(huì)有一個(gè)柵極電壓維持水平的階段，這個(gè)電壓稱(chēng)之為密勒平臺(tái)電壓。由上面分析可知，當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓， IGBT 開(kāi)始通過(guò)正向電流。當(dāng)集電極電流達(dá)到

最大電流時(shí)，續(xù)流二極管反偏， IGBT 兩端的電壓Vce迅速低，耗盡區(qū)迅速縮減，Vds的電壓也隨之降低，而耗盡區(qū)縮減以及電壓Vds降低的過(guò)程決定了柵極電壓密勒平臺(tái)的形成過(guò)程。柵極電壓平臺(tái)階段驅(qū)動(dòng)回路等效電路圖如下：

柵極—集電極電容Cgc是一個(gè)電容值和帶電量都變化的過(guò)程，其變化過(guò)程不由柵極電壓控制，而是由變化的集射極電壓決定。在這個(gè)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)回路一直給電容Cgc進(jìn)行充電，柵極電壓Vg不上升的原因在于電壓Vce一直在減小，這也是密勒平臺(tái)形成的直接原因，這個(gè)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)回路只給Cgc電容充電。

在Vce下降后，米勒平臺(tái)繼續(xù)維持的原因在于此時(shí)的載流子濃度在持續(xù)增加，因此電容值也在增加，從而柵極電壓仍然維持在密勒平臺(tái)電壓。

驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)柵極電壓波形的影響

上述分析了IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中柵極電壓的變化過(guò)程，并給出了對(duì)應(yīng)的等效電路。根據(jù)上述分析，如開(kāi)通延時(shí)等效電路圖，在給柵極電容充電的階段，驅(qū)動(dòng)電阻的值越小，時(shí)間常數(shù)越小，從而柵極電壓上升越快，開(kāi)通延遲的時(shí)間越短。由米勒平臺(tái)階段等效電路圖可知，驅(qū)動(dòng)電阻越小，相同的柵極平臺(tái)電壓值，平臺(tái)持續(xù)時(shí)間也越短。驅(qū)動(dòng)電阻越小，平臺(tái)電壓之后，上升到最大柵極電壓的時(shí)間也越短。

04開(kāi)通過(guò)程集電極電流分析

開(kāi)通電流

當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓時(shí)，集電極電流以較快的速度上升，因此在集電極電流由零上升到負(fù)載電流這一短時(shí)間內(nèi)，柵極電壓可以近似認(rèn)為是線(xiàn)性增長(zhǎng)，從而IGBT 集電極電流在到達(dá)負(fù)載電流之前，可以認(rèn)為IGBT 集電極電流曲線(xiàn)為二次函數(shù)曲線(xiàn)，即

Ic=at2

其中a 由芯片參數(shù)以及功率回路參數(shù)、驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)共同決定。

二極管反向恢復(fù)過(guò)程

IGBT 集電極電流過(guò)沖與續(xù)流二極管的反向恢復(fù)過(guò)程相對(duì)應(yīng)。IGBT集電極電流持續(xù)增大的過(guò)程中，續(xù)流二極管中的少子濃度逐漸降低，反偏電流密度梯度也逐漸減小。當(dāng)續(xù)流二極管達(dá)到反偏電流的最大值，二極管中耗盡區(qū)邊緣少子濃度達(dá)到熱平衡濃度。此后，二極管進(jìn)入反向恢復(fù)階段，此時(shí)的IGBT 集電極電流特性更多地取決于續(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程中需要將二極管中余下的過(guò)剩載流子移除，且耗盡區(qū)的電勢(shì)降大小為反偏電壓值。通常情況下，為了使二極管快速關(guān)斷，需要有較大的反偏電流和較小的少子壽命。

05

開(kāi)通過(guò)程集射極電壓分析

集射極電壓下降過(guò)程分析

理想條件下，不考慮回路中的雜散電感和電阻，當(dāng)續(xù)流二極管的電流達(dá)到最大反向電流時(shí)，二極管開(kāi)始承受反向電壓，此時(shí)IGBT 兩端的電壓急劇下降。IGBT集射極電壓下降包括兩個(gè)階段，第一個(gè)階段類(lèi)似于MOSFET 開(kāi)通機(jī)理，耗盡區(qū)迅速消失，電壓急劇下降，如下圖所示的UCE_MOSFET階段; 第二個(gè)階段是過(guò)剩載流子在基區(qū)內(nèi)擴(kuò)散，電導(dǎo)調(diào)制區(qū)擴(kuò)大，中性基區(qū)壓降減小過(guò)程，如下圖所示的UCE_BJT階段。由于載流子擴(kuò)散的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于耗盡區(qū)消失的速度，因此這個(gè)階段的電壓衰減非常緩慢。

雜散電感對(duì)電流上升階段Vce的影響

感性負(fù)載雙脈沖測(cè)試電路如下圖：

負(fù)載電感足夠大，在開(kāi)通過(guò)程中，負(fù)載電感的電流大小基本不變。理想條件下，續(xù)流二極管承受反向電壓時(shí)， IGBT 集射極電壓開(kāi)始下降。

但是，實(shí)際工況條件下，主回路中存在一定的雜散電感。因此，在集電極電流上升過(guò)程中，二極管處于正向大電流偏置狀態(tài)，其通態(tài)壓降可以忽略不計(jì)，從而可以得到如下關(guān)系式:

Vce+Ls*dic/dt=Vdc

其中，Vce為IGBT 器件集射極電壓; Ls為主回路雜散電感; ic為IGBT的集電極電流; Vdc為直流母線(xiàn)電壓。因此，從電流上升的時(shí)刻開(kāi)始， IGBT器件兩端的電壓就低于直流母線(xiàn)電壓。即

Vce=Vdc-Ls*dic/dt

結(jié)合Ic=at2得

Vce=Vdc-2aLs*t

由上式可知，集電極電流上升過(guò)程中，集射極電壓近似線(xiàn)性下降; 且雜散電感越大，集射極電壓下降速度越快。主回路雜散電感的值越大， IGBT的開(kāi)通損耗越低，但是雜散電感越大，導(dǎo)致的電壓過(guò)沖的可能性也會(huì)越大，導(dǎo)致器件損壞的可能性也越大，目前都是追求小的雜散電感。

06IGBT開(kāi)通波形

IGBT的開(kāi)通波形如下：

分為5各階段：

①開(kāi)通延遲階段

在這個(gè)階段中，驅(qū)動(dòng)回路給輸入電容充電，柵極電壓逐步增加，當(dāng)柵極電壓到達(dá)閾值電壓以后，IGBT開(kāi)通，集電極電流開(kāi)始增加。需要指出的是，階段1 所示虛線(xiàn)圓圈內(nèi)的柵極電壓有一個(gè)斜率增加的過(guò)程，對(duì)應(yīng)于柵極電壓在上升的過(guò)程中，柵極輸入電容變化的過(guò)程。

②電流上升階段

在這個(gè)階段中，MOSFET 溝道導(dǎo)通，由于電流上升速度非?？欤虝r(shí)間內(nèi)柵極電壓近似線(xiàn)性增長(zhǎng)。當(dāng)集電極電流IC小于負(fù)載電流時(shí)，IC可以用開(kāi)口向上的二次函數(shù)擬合，此時(shí)的集射極電壓隨著集電極電流的增加而線(xiàn)性減小。

③集射極電壓迅速下降過(guò)程

當(dāng)IGBT集電極電流IC大于峰值電流IL+IRR以后，續(xù)流二極管承受反向電壓，電流迅速減小，從而IGBT的電流也迅速減小。續(xù)流二極管在承受反向電壓以后， IGBT的集射極電壓迅速降低，耗盡區(qū)也迅速消失。耗盡區(qū)縮小的過(guò)程引起了柵極—集電極電容及其所帶電荷量的迅速變化，如第二節(jié)所分析，柵極電壓從而進(jìn)入密勒平臺(tái)階段。從第2 階段到第3 階段，由于集射極電壓的迅速下降，柵極電壓Vge有一個(gè)電壓跌落的過(guò)程。

④柵極平臺(tái)階段

這個(gè)階段的特征之一是IGBT 電流的衰減過(guò)程，這由續(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性決定。其次，IGBT集射極電壓VCE繼續(xù)減小，這是由于開(kāi)通后IGBT 內(nèi)電導(dǎo)調(diào)制區(qū)的擴(kuò)大所引起。在這個(gè)過(guò)程中，靠近柵極側(cè)的中性基區(qū)電勢(shì)Vds不斷降低，柵極電壓的值基本不變。

⑤柵極電壓繼續(xù)上升階段

這個(gè)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)回路繼續(xù)給柵極電容充電，IGBT集射極電壓基本達(dá)到穩(wěn)定通態(tài)壓降， IGBT集電極電流等于負(fù)載電流。