IGBT開通過程的分析

IGBT作為具有開關(guān)速度快，導(dǎo)通損耗低的電壓控制型開關(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)通壓降以及低的開關(guān)損耗。作為開關(guān)器件，研究它的開通和關(guān)斷過程當(dāng)然是必不可少的，今天我們就來說說IGBT的開通過程。

一開始我們簡單介紹過IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，不同的行業(yè)對使用IGBT時，對于其深入的程度可能不一樣，但是作為一個開關(guān)器件，開通和關(guān)斷的過程，我覺得有必要了解一下。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)過程，極大地增加了IGBT 的開通損耗，因此，IGBT的開通過程越來越引起重視。

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

等進行評估，為驅(qū)動電路進行優(yōu)化提供指導(dǎo)，從而改善IGBT 的開通特性。由于實際運用中，我們遇到的大多負載都屬于感性負載，所以今天我們就基于感性負載的情況下聊聊IGBT的開通過程，從IGBT 阻斷狀態(tài)下的空間電荷分布開始分析，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形成的機理，分析了驅(qū)動電阻對柵極電壓波形的影響。研究了IGBT 集電極電流的上升特點; 分析了IGBT 集射極電壓的下降特點，揭示了回路雜散電感對集射極電壓的影響規(guī)律。

02IGBT的基本結(jié)構(gòu)

前面我們也簡單的講過了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)為重摻雜，N-表示基區(qū)摻雜濃度較低。IGBT和MOSFET一樣，在門極上外加正向電壓即可導(dǎo)通，但由于通過在漏極上追加了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IGBT元胞內(nèi)包括一個MOSFET，一個PNP 晶體管和一個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，NPN晶體管的影響可以忽略不計(后面我們講到IGBT擎住效應(yīng)的時候，這個寄生的NPN晶體管就會有所涉及，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開通延遲過程

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

下面是比較詳細的電容分布：

對于IGBT 器件，柵極電容包括四個方面電容，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( 也稱為輸入電容) 為Cge = C1 + C2 + Cgp，柵極—集電極電容( 也稱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，隨著電壓的進一步增加，其大小又逐漸增加，并達到穩(wěn)定值。

開通延時過程中驅(qū)動回路等效電路

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于IGBT的阻斷電壓可以忽略不計。因此，柵極電壓的上升過程對于柵極—集電極電容( Cgc) 及其電荷量的影響可以忽略不計，因此開通延時階段的充電過程只針對電容C1、C2和Cgp。因此，結(jié)合驅(qū)動回路的等效電路，可以得到上述充電過程中驅(qū)動回路的等效電路如下圖所示：

其中Vg為柵極驅(qū)動板輸出電壓，Ｒg為驅(qū)動電阻，Cin為驅(qū)動板輸出端口電容，Ｒs和Ls分別為驅(qū)動回路寄生電阻和寄生電感。柵極電壓開始上升一段時間后達到閾值電壓，集電極電流開始上升，這個過程也稱之為開通延遲，一般我們表示為td(on)。

基于上述分析可知，柵極電壓在到達閾值電壓之前，輸入電容并不是恒定值，而是有一個由大逐漸變小，再逐步增大的過程。因此，在IGBT 開通過程中，驅(qū)動回路并不是給恒定電容充電。下圖是開通過程柵極電壓上升趨勢：

米勒平臺過程

柵極電壓在上升到一定值后，會有一個柵極電壓維持水平的階段，這個電壓稱之為密勒平臺電壓。由上面分析可知，當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓， IGBT 開始通過正向電流。當(dāng)集電極電流達到

最大電流時，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降低的過程決定了柵極電壓密勒平臺的形成過程。柵極電壓平臺階段驅(qū)動回路等效電路圖如下：

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

在Vce下降后，米勒平臺繼續(xù)維持的原因在于此時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電壓。

驅(qū)動電阻對柵極電壓波形的影響

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

04開通過程集電極電流分析

開通電流

當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓時，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載電流這一短時間內(nèi)，柵極電壓可以近似認為是線性增長，從而IGBT 集電極電流在到達負載電流之前，可以認為IGBT 集電極電流曲線為二次函數(shù)曲線，即

Ic=at2

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

二極管反向恢復(fù)過程

IGBT 集電極電流過沖與續(xù)流二極管的反向恢復(fù)過程相對應(yīng)。IGBT集電極電流持續(xù)增大的過程中，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)流二極管達到反偏電流的最大值，二極管中耗盡區(qū)邊緣少子濃度達到熱平衡濃度。此后，二極管進入反向恢復(fù)階段，此時的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，因為這個過程中需要將二極管中余下的過剩載流子移除，且耗盡區(qū)的電勢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

開通過程集射極電壓分析

集射極電壓下降過程分析

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

雜散電感對電流上升階段Vce的影響

感性負載雙脈沖測試電路如下圖：

負載電感足夠大，在開通過程中，負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， IGBT 集射極電壓開始下降。

但是，實際工況條件下，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，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為直流母線電壓。因此，從電流上升的時刻開始， IGBT器件兩端的電壓就低于直流母線電壓。即

Vce=Vdc-Ls*dic/dt

結(jié)合Ic=at2得

Vce=Vdc-2aLs*t

由上式可知，集電極電流上升過程中，集射極電壓近似線性下降; 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的開通損耗越低，但是雜散電感越大，導(dǎo)致的電壓過沖的可能性也會越大，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開通波形

IGBT的開通波形如下：

分為5各階段：

①開通延遲階段

在這個階段中，驅(qū)動回路給輸入電容充電，柵極電壓逐步增加，當(dāng)柵極電壓到達閾值電壓以后，IGBT開通，集電極電流開始增加。需要指出的是，階段1 所示虛線圓圈內(nèi)的柵極電壓有一個斜率增加的過程，對應(yīng)于柵極電壓在上升的過程中，柵極輸入電容變化的過程。

②電流上升階段

在這個階段中，MOSFET 溝道導(dǎo)通，由于電流上升速度非常快，短時間內(nèi)柵極電壓近似線性增長。當(dāng)集電極電流IC小于負載電流時，IC可以用開口向上的二次函數(shù)擬合，此時的集射極電壓隨著集電極電流的增加而線性減小。

③集射極電壓迅速下降過程

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，柵極電壓從而進入密勒平臺階段。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有一個電壓跌落的過程。

④柵極平臺階段

這個階段的特征之一是IGBT 電流的衰減過程，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，這是由于開通后IGBT 內(nèi)電導(dǎo)調(diào)制區(qū)的擴大所引起。在這個過程中，靠近柵極側(cè)的中性基區(qū)電勢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

這個過程中，驅(qū)動回路繼續(xù)給柵極電容充電，IGBT集射極電壓基本達到穩(wěn)定通態(tài)壓降， IGBT集電極電流等于負載電流。