搞电力电子的对
IGBT可能再熟悉不过了,全称绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor),是由MOS(绝缘栅型场效应管)和BJT(双极性晶体管)组成的复合全控型功率半导体器件,俗称电力电子装置的“CPU”,通过十几伏的门极控制信号,即可实现kV级电压和kA级电流的控制,作为国家战略性新兴产业,在轨道交通、智能电网、工业节能、电动汽车与新能源装备等领域应用极为广泛。
但是你真的了解
IGBT吗?今天我们就来讨论一下
IGBT的关断过程,在开始之前,先抛出一个问题,大家可以考虑一下,图1展示了
IGBT关断门极电阻和电压尖峰的关系:
图1.
IGBT关断过压与门极电阻关系[1]
增加IGBT的门极关断电阻,电压尖峰反而增加?这是什么鬼?是不是和我们想象的不一样。
我们再来看下
IGBT关断电阻与关断损耗的关系,通过图2可以看出
IGBT的关断电阻对关断损耗的影响甚微。
图2.
IGBT关断损耗与门极电阻关系[2]
从以上两张图片可知,
通过门极电阻影响IGBT关断特性似乎并不理想,然而事实确实如此,那就没有解决方法了吗?方法肯定是有的,先卖个关子,等后面再说!
今天我们先简单聊聊
IGBT的关断过程,从根源上分析一下导致上述现象的原因。
要想了解
IGBT的关断过程,有必要对
IGBT的工作原理做简单回顾,前面已经提到
IGBT是由MOS和BJT组成的功率器件。图1展示了NPT型
IGBT的内部结构和等效电路,我们都知道
IGBT属于双极性器件,即电子和空穴均参与导电。假设流过MOS的电子电流为In,流过pnp晶体管的空穴电流为Ip,那么流过
IGBT的集电极电流Ic=In+Ip。
图3
IGBT等效电路
根据晶体管的工作原理可知,PNP晶体管的集电极电流Ip与基极电流In之间存在如下关系:
其中,βpnp为晶体管的共射极电流放大系数,αpnp为晶体管的共基极电流放大系数。需要注意的是
IGBT集电极一侧的PNP晶体管,仅仅是在结构上等效为PNP晶体管,在性能上和实际用于电流放大的晶体管相差甚远[3]。真实的晶体管能起到电流放大作用,即Ip>>In,而对于
IGBT,电子电流In和空穴电流Ip基本相当。
说完晶体管,再来说说MOS,我们都知道MOS属于电压控制型器件,MOS的沟道电流In在开关过程中与门极电压有如下关系:
式中,Kp为与器件结构和载流子特性相关的系数,Vge,th为阈值电压。
说到这里大家可能有点明白了,我们控制IGBT门极电压实际上控制的是内部MOS,直接受影响的就是电子电流In,而空穴电流Ip和门极电压Vge并没有直接的关系。
回到主题,让我们再来看看
IGBT的关断过程,通常情况下根据
IGBT的外特性可以将其关断过程分为5个阶段,如下图所示:
图4.
IGBT关断外特性
阶段1(t0-t1):栅极电容放电,门极电压以指数形式下降至弥勒平台电压值Vgep。
阶段2(t1-t2):弥勒平台阶段,门极电压基本保持不变,Vgep电压取决于负载电流大小,栅电流给弥勒电容充电,集电极电压略微上升。
阶段3(t2-t3):集电极电压上升阶段,
IGBT集电极电压Vce迅速上升至母线电压。同时门极电压由弥勒平台Vgep下降至阈值电压Vge,th,门极完全关断。
阶段4(t3-t4):集电极电流下降阶段,
IGBT集电极电压已经上升至母线电压Vdc,与
IGBT相对应的二极管进入正向导通阶段,负载电流由
IGBT迅速转移至二极管。电流Ic迅速下降至拖尾电流,由于杂散电感存在,集电极电压有一定的电压过冲。
阶段5(t4-t5):拖尾电流过程,该阶段电流下降的快慢主要由器件的载流子寿命所决定。
可能会有人提出疑问,
为什么在电流开始下降时,栅极就关断了?好多论文给的图是在
IGBT集电极电流下降到0时,栅极才会关断啊。这些图对于简单的理解
IGBT开关特性是没有什么问题的,严格来说确实有点问题,但是大家也不要太过纠结,事实上我们很难测试
IGBT栅极到底是什么时候关断的,因为我们毕竟不是研究半导体的,很多参数也不知道!
下面从内部机理层面再来描述一下
IGBT的关断过程:
首先看一下
IGBT关断之前内部载流子的分布情况,图5对应图4 中t0时刻以前,即通态下
IGBT内部载流子的分布情况。在这里我们主要讨论N-基区内的载流子分布,
因为IGBT的开关特性主要受N-基区载流子影响。通态下,N-基区充满了电子和空穴,因此该区域也可以称为载流子存储区(Carrier Storage Region,CSR )或等离子区(Plasma)。通态过程中,
IGBT内部基区电子电流和空穴电流大致为3:1,主要是因为在同样的条件下,电子的迁移率是空穴迁移率的3倍[4]。
图5. t
0时刻以前载流子分布
当在
IGBT栅极施加一个为零或负的偏置电压时,器件进入关断过程。首先,随着门极电压的减小,由N+源区经MOS沟道注入到N-基区的电子电流逐渐减少,而此时外部的集电极电流受负载电感影响保持不变,因此
IGBT模块内部电子电流和空穴电流将偏离其原有的平衡状态。图3描述了该阶段
IGBT内部N-基区载流子的变化情况,对应图4 中 t0-t3时间段载流子分布,其中N-基区左侧的CSR区域依然存在大量电子和空穴对。N-基区右侧为空间电荷区(Space Charge Region,SCR ),该区域内没有剩余载流子,也可以称为耗尽层,在
IGBT关断过程中该区域承载电压,SCR区域内电子电流逐渐减小,而空穴电流逐渐增大。
图6. t
0-t
3时间段载流子分布
当
IGBT的栅极电压继续减小至阈值电压Vgeth时,内部MOS导电沟道完全关断,In1为0,切断了PNP晶体管的基极电流。PNP晶体管的发射极将不再向N-基区注入空穴,图7对应
IGBT关断外特性的t3时刻,该时刻空间电荷区的电子电流为0,负载电流完全由空穴电流Ip1维持,而CSR区域的电子和空穴依然存在。
图7. t
3时刻载流子分布
当
IGBT集电极电压Vce上升至母线电压时,集电极电流迅速下降,IC的下降速率由器件自身特性决定,将不再受门极控制。图8对应图4中的t3-t4时间段。该阶段完成后,CSR区域还剩下少量载流子,剩余载流子的消除主要由自身复合率决定,对外呈现为拖尾电流。
图8. t
3-t
4时间段载流子分布
讲到这里大家可能明白了,
IGBT集电极电流下降速度是否能由门极控制,关键在
IGBT电流下降阶段,MOS沟道注入的电子电流是否还起作用。在这里我们可以用公式来描述
IGBT的关断下降速率:
通过公式不难发现,要想在关断的时候控制集电极电流下降斜率,In1必须要有一定的话语权才可以,如何才能增加MOS沟道电子电流的比重呢?
有两种方法,一种是减缓IGBT的关断速度,另一种是向门极注入电子电流。两种方法目前都在IGBT门极驱动上均有较好的应用。减缓关断速度又有哪些方法呢? 增加电阻当然可以,但是带来的关断延时或损耗都非常大,得不偿失;另一种方法就是采用有源驱动技术,只在IGBT电流下降阶段,采取措施减缓IGBT的关断速度,该方法能够在开关延时、过压和损耗之间取得较好的折中。国内飞仕得数字驱动就有该功能,有兴趣的可以去了解一下(此处非广告啊,纯技术交流)!那向门极注入电流又是怎么实现的呢?这就是我们常说的集电极电压有源钳位技术。
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