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IGBT關斷過程是怎樣的？(*講)

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2022-03-18 01:02:04 15

搞電力電子的對IGBT可能再熟悉不過了，全稱絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor），是由MOS（絕緣柵型場效應管）和BJT（雙極性晶體管）組成的復合全控型功率半導體器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”，通過十幾伏的門極控制信號，即可實現kV級電壓和kA級電流的控制，作為*戰略性新興產業，在軌道交通、智能電網、工業節能、電動汽車與新能源裝備等領域應用極為廣泛。
但是你真的了解IGBT嗎？今天我們就來討論一下IGBT的關斷過程，在開始之前，先拋出一個問題，大家可以考慮一下，圖1展示了IGBT關斷門極電阻和電壓尖峰的關系：
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圖1. IGBT關斷過壓與門極電阻關系[1]
增加IGBT的門極關斷電阻，電壓尖峰反而增加？這是什么鬼？是不是和我們想象的不一樣。
我們再來看下IGBT關斷電阻與關斷損耗的關系，通過圖2可以看出IGBT的關斷電阻對關斷損耗的影響甚微。
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圖2. IGBT關斷損耗與門極電阻關系[2]
從以上兩張圖片可知，通過門極電阻影響IGBT關斷特性似乎并不理想，然而事實確實如此，那就沒有解決方法了嗎？方法肯定是有的，先賣個關子，等后面再說！
今天我們先簡單聊聊IGBT的關斷過程，從根源上分析一下導致上述現象的原因。
要想了解IGBT的關斷過程，有必要對IGBT的工作原理做簡單回顧，前面已經提到IGBT是由MOS和BJT組成的功率器件。圖1展示了NPT型IGBT的內部結構和等效電路，我們都知道IGBT屬于雙極性器件，即電子和空穴均參與導電。假設流過MOS的電子電流為In，流過pnp晶體管的空穴電流為Ip，那么流過IGBT的集電極電流Ic=In+Ip。
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圖3 IGBT等效電路

根據晶體管的工作原理可知，PNP晶體管的集電極電流Ip與基極電流In之間存在如下關系： f2be0230b950f428ed9a415164c703aa

其中，βpnp為晶體管的共射極電流放大系數，αpnp為晶體管的共基極電流放大系數。需要注意的是IGBT集電極一側的PNP晶體管，僅僅是在結構上等效為PNP晶體管，在性能上和實際用于電流放大的晶體管相差甚遠[3]。真實的晶體管能起到電流放大作用，即Ip>>In，而對于IGBT，電子電流In和空穴電流Ip基本相當。
說完晶體管，再來說說MOS，我們都知道MOS屬于電壓控制型器件，MOS的溝道電流In在開關過程中與門極電壓有如下關系：
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式中，Kp為與器件結構和載流子特性相關的系數，Vge,th為閾值電壓。
說到這里大家可能有點明白了，我們控制IGBT門極電壓實際上控制的是內部MOS，直接受影響的就是電子電流In，而空穴電流Ip和門極電壓Vge并沒有直接的關系。
回到主題，讓我們再來看看IGBT的關斷過程，通常情況下根據IGBT的外特性可以將其關斷過程分為5個階段，如下圖所示：
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圖4. IGBT關斷外特性

階段1（t0-t1）：柵極電容放電，門極電壓以指數形式下降至彌勒平臺電壓值Vgep。
階段2（t1-t2）：彌勒平臺階段，門極電壓基本保持不變，Vgep電壓取決于負載電流大小，柵電流給彌勒電容充電，集電極電壓略微上升。
階段3（t2-t3）：集電極電壓上升階段，IGBT集電極電壓Vce迅速上升至母線電壓。同時門極電壓由彌勒平臺Vgep下降至閾值電壓Vge,th，門極完全關斷。
階段4（t3-t4）：集電極電流下降階段，IGBT集電極電壓已經上升至母線電壓Vdc，與IGBT相對應的二極管進入正向導通階段，負載電流由IGBT迅速轉移至二極管。電流Ic迅速下降至拖尾電流，由于雜散電感存在，集電極電壓有一定的電壓過沖。
階段5（t4-t5）：拖尾電流過程，該階段電流下降的快慢主要由器件的載流子壽命所決定。
可能會有人提出疑問，為什么在電流開始下降時，柵極就關斷了？好多論文給的圖是在IGBT集電極電流下降到0時，柵極才會關斷啊。這些圖對于簡單的理解IGBT開關特性是沒有什么問題的，嚴格來說確實有點問題，但是大家也不要太過糾結，事實上我們很難測試IGBT柵極到底是什么時候關斷的，因為我們畢竟不是研究半導體的，很多參數也不知道！
下面從內部機理層面再來描述一下IGBT的關斷過程：
首先看一下IGBT關斷之前內部載流子的分布情況，圖5對應圖4 中t0時刻以前，即通態下IGBT內部載流子的分布情況。在這里我們主要討論N-基區內的載流子分布，因為IGBT的開關特性主要受N-基區載流子影響。通態下，N-基區充滿了電子和空穴，因此該區域也可以稱為載流子存儲區(Carrier Storage Region，CSR )或等離子區（Plasma）。通態過程中，IGBT內部基區電子電流和空穴電流大致為3：1，主要是因為在同樣的條件下，電子的遷移率是空穴遷移率的3倍[4]。
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圖5. t₀時刻以前載流子分布

當在IGBT柵極施加一個為零或負的偏置電壓時，器件進入關斷過程。首先，隨著門極電壓的減小，由N+源區經MOS溝道注入到N-基區的電子電流逐漸減少，而此時外部的集電極電流受負載電感影響保持不變，因此IGBT模塊內部電子電流和空穴電流將偏離其原有的平衡狀態。圖3描述了該階段IGBT內部N-基區載流子的變化情況，對應圖4 中 t0-t3時間段載流子分布，其中N-基區左側的CSR區域依然存在大量電子和空穴對。N-基區右側為空間電荷區(Space Charge Region，SCR )，該區域內沒有剩余載流子，也可以稱為耗盡層，在IGBT關斷過程中該區域承載電壓，SCR區域內電子電流逐漸減小，而空穴電流逐漸增大。
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圖6. t₀-t₃時間段載流子分布

當IGBT的柵極電壓繼續減小至閾值電壓Vgeth時，內部MOS導電溝道完全關斷，In1為0，切斷了PNP晶體管的基極電流。PNP晶體管的發射極將不再向N-基區注入空穴，圖7對應IGBT關斷外特性的t3時刻，該時刻空間電荷區的電子電流為0，負載電流完全由空穴電流Ip1維持，而CSR區域的電子和空穴依然存在。
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圖7. t₃時刻載流子分布
當IGBT集電極電壓Vce上升至母線電壓時，集電極電流迅速下降，IC的下降速率由器件自身特性決定，將不再受門極控制。圖8對應圖4中的t3-t4時間段。該階段完成后，CSR區域還剩下少量載流子，剩余載流子的消除主要由自身復合率決定，對外呈現為拖尾電流。
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圖8. t₃-t₄時間段載流子分布
講到這里大家可能明白了，IGBT集電極電流下降速度是否能由門極控制，關鍵在IGBT電流下降階段，MOS溝道注入的電子電流是否還起作用。在這里我們可以用公式來描述IGBT的關斷下降速率：
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通過公式不難發現，要想在關斷的時候控制集電極電流下降斜率，In1必須要有一定的話語權才可以，如何才能增加MOS溝道電子電流的比重呢？

有兩種方法，一種是減緩IGBT的關斷速度，另一種是向門極注入電子電流。兩種方法目前都在IGBT門極驅動上均有較好的應用。減緩關斷速度又有哪些方法呢? 增加電阻當然可以，但是帶來的關斷延時或損耗都非常大，得不償失；另一種方法就是采用有源驅動技術，只在IGBT電流下降階段，采取措施減緩IGBT的關斷速度，該方法能夠在開關延時、過壓和損耗之間取得較好的折中。國內飛仕得數字驅動就有該功能，有興趣的可以去了解一下（此處非廣告啊，純技術交流）！那向門極注入電流又是怎么實現的呢？這就是我們常說的集電極電壓有源鉗位技術。

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