IGBT的關斷過程影響解析

從電壓電流對IGBT的關斷過程進行分析

01

前言

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 是雙極型晶體管(BJT) 和場效應晶體管(MOSFET) 的復合器件,IGBT將BJT的電導調制效應引入到VDMOS 的高阻漂移區, 大大改善了器件的導通特性, 同時還具有MOSFET柵極輸入阻抗高、開關速度快的特點。很多情況，由于對IGBT關斷機理認識不清, 對關斷時間隨電壓和電流的變化規律認識不清, 導致無法解釋在使用過程中出現的電流拖尾長、死區時間長等現象, 不能充分發揮IGBT 的性能; 導致IGBT因使用不當, 燒毀。今天就IGBT關斷時的電流和電壓進行簡單的敘述。

02

關斷機理

IGBT 結構等同于n 溝道MOSFET與pnp晶體管構成的達林頓結構, MOSFET 的漏極與pnp晶體管的基極相連。等效電路和基本結構圖如下

IGBT的關斷波形如下圖所示，大致分為三個階段：①關斷延遲時間td(off)；②關斷過程中電壓上升到10%到電流下降到90%時間Δt；③關斷下降時間tf。

IGBT關斷時間表達式為

toff=td(off)+Δt +tf

ICE=IMOS+IC(BJT)=Ids+Ice

BJT 是一種電流控制型器件, 發射極e和集電極c傳導的工作電流受基極b引入的較小電流的控制, 如等效電路所示, BJT受MOSFET漏極電流控制. 在IGBT關斷td(off)和Δt 程中, MOSFET 的門極電壓Vgs減小至Miller平臺電壓Vmr, 漏源電壓Vds增大至Vds(max), 而漏源電流Ids保持不變. 由于Ib=Ids, BJT的集射極電流Ice受Ib控制, 所以,在IGBT關斷td(off)和Δt過程中, Ice電流仍然保持不變, 如上圖所示. 由上式ICE等式可知, IGBT的集射極電流ICE保持不變. 可見, IGBT關斷td(off) 和Δt 過程為MOSFET 行為, 所以關斷延遲時間td(off) 和Δt如下：

td(off)=RG(CGS+CGD)*ln[gfsVGH/(gfsVGS(th)+Ids(max)]

Δt =((VDM−Von)gfsRGCGD)/(Ids(max)+gfsVGS(th))

其中, RG為柵極驅動電阻, CGS和CGD為柵源和柵漏電容, gfs為柵源跨導, VGH為柵控電壓, VGS(th)為閾值電壓, Ids(max)為溝道電流的最大值, VDM為漏源電壓最大值, Von為MOSFET導通壓降。

由上面兩個式子可知，IGBT關斷td(off)和Δt時間由MOSFET固有參數決定. 所以對于確定的IGBT來說, td(off) 和Δt時間也是確定不變的，IGBT的關斷時間toff的變化由電流下降時間tf決定。為了使IGBT從正向導通狀態轉入正向阻斷狀態, 必須首先通過外電路對柵電容放電, 使柵電壓下降到MOSFET的開啟電壓Vth以下, 這時, 溝道反型層消失, 溝道電流IMOS迅速下降為零。

如下圖

溝道關斷后，器件電流幾乎在瞬時從I0下降到I1，這一過程稱為階段I；階段I結束后，n−區的過剩載流子空穴將通過復合消失，這一過程稱為階段II。 因此，IGBT關斷后，電流下降時間由兩部分組成，階段I電流ΔI下降時間和階段II電流I1下降時間。階段I過程在瞬間發生，時間非常短，而階段II，n−區過剩載流子空穴復合過程較慢, 因此，會引起IGBT關斷過程拖尾電流現象。所以IGBT的關斷電流下降時間tf主要由階段II電流下降時間決定。而階段II電流下降時間即為n−區過剩載流子復合所需時間。

03

電壓對關斷的影響

IGBT導通電流由基極電流IB(BJT)和集電極電流IC(BJT)兩部分構成。即t<0時，電流表達式，如下式所示：

I=I0=IB+IC=IMOS+IC

當IGBT開始關斷, 即t>0時，

I(t)=IC(t)+dQJ2(t)/dt

由上面兩個式子可知，在t=0+時刻，

I(0+) =I0；dQJ2(0+)/dt=IMOS

當門極電壓為零后, 溝道電流迅速下降為零。由于基區過剩載流子復合的原因，I(t)不能迅速下降為零，這時，I(t)=IC(BJT)(t)。依據電荷控制原理

IC(BJT)(t) =Qp(t)/τtp(t)

其中, Qp(t)為n−區待復合的空穴電荷, τtp(t)為基

區空穴渡越時間。在大注入條件下

τtp(t)=[WB−xd(t)]²/4KADp

其中, WB為基區寬度, xd(t)為耗盡層寬度, KA=Ac=Ae, Ac和Ae分別為pnp晶體管集電區和發射區面積，Dp為基區空穴擴散系數。

在t=0時刻, J2結耗盡層寬度xd≈0，由上式可以得到電流

其中, Qp0為導通穩態時基區空穴電荷.。當關斷開始后，溝道電流迅速消失，IMOS→0，得到I1表達式

IC(BJT)=βIB(BJT) =βIMOS

其中, β為BJT電流放大系數，β=Ic/Ib。

可以推導出

耗盡層寬度的最大值xdm為

其中，VR為施加在耗盡層上的反偏電壓的大小，εs為半導體介電常數，Vbi為熱平衡狀態下內建電勢差，Na為受主雜質原子密度，Nd為施主雜質原子密度。上式表明，耗盡層寬度隨施加反偏電壓的增大而增大，由于VR 與VCE成正比，即隨著VCE 的增大，J2結耗盡層寬度逐漸增大。ΔI 的大小與耗盡層寬度xdm 成反比, 所以, 隨著VCE的增大, ΔI變小，若保持導通電流I0不變，則I1增大。進而，關斷時間延長。因此，電流相同時，VCE越大，關斷時間越長。

04

電流對關斷的影響

IGBT開始關斷時，即t=0時刻，J2結耗盡層承受電壓很小，所以xd≈0，由上節可知, ΔI=IMOS。進而，推導出ΔI與I0的比值K，如下式所示：

=1/(1+β)

IGBT的BJT部分電流增益系數G，如下式

其中，J0為BJT集電極電流密度, AE為BJT發射極接觸面積,WC為BJT集電區寬度。

電流增益α與電流增益系數G的關系是α∝G

BJT電流放大系數β與電流增益α之間的關系如下式

由上式可知，G與集電極電流密度J0成反比，即與Ic大小成反比；α隨IC的增大而減小；BJT電流增益α減小，電流放大系數β隨之減小。所以，隨BJT集電極電流Ic的增大，β 減?。籅JT集電極電流Ic增大，IGBT電流I0隨之增大。因此，得出隨IGBT電流I0增大，β逐漸減小。進而，K增大，所以相同電壓下，電流增大，K隨之增大。即ΔI占I0比例增大，拖尾電流占總電流I0的比例減小，進而關斷時間縮短。

由于Ic與BJT集電極電流密度J0成正比，得

α ∝ 1/Ic

上式可以看出，當電流較小時，K相對于Ic的變化率較大，當電流較大時，變化率較小。所以，當Ic變化量相同時，K的變化量隨Ic的增大而減小。因此，隨著電流的增大，ΔI所占總電流比例的變化率dK=dIc逐漸減小?；谙嗤妷合?，隨電流增大，ΔI占總電流比例增大，關斷時間減小的結論，得出電流較小時，關斷時間減小速率較大，而電流較大時，關斷時間減小速率較小。

結論：

IGBT關斷時間隨電壓的增大，單調增大；隨電流的增大而減小。電流較小時，關斷時間很長，隨著電流的增大，關斷時間迅速縮短。當電流大于一定值時，關斷時間恢復至使用手冊的正常值附近，并隨著電流的增大而緩慢減小。因此，在IGBT工作過程中，應根據實際裝置工作電流范圍，依據關斷時間變化規律，合理設置死區時間。并且應盡量避免其工作在小電流工況，如若不能避免，則要盡量降低母線電壓和采取限流措施，以免導致電力電子裝置上下橋臂直通。

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