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IGBT关断过程是怎样的?(第一讲)

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:1070

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,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. t0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. t0-t3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. t3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. t3-t4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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