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|IGBT开通过程分析

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IGBT作为具有开关速度快 ， 导通损耗低的电压控制型开关器件被广泛应用于高压大容量变频器和直流输电等领域 。 现在IGBT的使用比较关注的是较低的导通压降以及低的开关损耗 。 作为开关器件 ， 研究它的开通和关断过程当然是必不可少的 ， 今天我们就来说说IGBT的开通过程 。

01前言
一开始我们简单介绍过IGBT的基本结构和工作原理 ， 不同的行业对使用IGBT时 ， 对于其深入的程度可能不一样 ， 但是作为一个开关器件 ， 开通和关断的过程 ， 我觉得有必要了解一下 。 随着载流子寿命控制等技术的应用 ，IGBT关断损耗得到了明显改善; 此外 ， 大功率IGBT 器件内部续流二极管的反向恢复过程 ， 极大地增加了IGBT 的开通损耗 ， 因此 ， IGBT的开通过程越来越引起重视 。

分析IGBT 在不同工况条件下的开关波形 ， 对器件开通损耗、可能承受的电气应力、电磁干扰噪声等进行评估 ， 为驱动电路进行优化提供指导 ， 从而改善IGBT 的开通特性 。 由于实际运用中 ， 我们遇到的大多负载都属于感性负载 ， 所以今天我们就基于感性负载的情况下聊聊IGBT的开通过程 ， 从IGBT 阻断状态下的空间电荷分布开始分析 ， 研究了IGBT 输入电容随栅极电压变化的关系 ， 揭示了栅极电压密勒平台形成的机理 ， 分析了驱动电阻对栅极电压波形的影响 。 研究了IGBT 集电极电流的上升特点; 分析了IGBT 集射极电压的下降特点 ， 揭示了回路杂散电感对集射极电压的影响规律 。
02IGBT的基本结构

前面我们也简单的讲过了IGBT的基本结构 ， IGBT是由双极型功率晶体管(高耐压、大容量)和MOSFET(高开关速度)构成 ， 所以IGBT具有了两种器件的特性 ， 高耐压、大电流、高开关速度 。

上图是IGBT芯片的横向截面图 ， 图中的P+和N+表示集电区和源区为重掺杂 ， N-表示基区掺杂浓度较低 。 IGBT和MOSFET一样 ， 在门极上外加正向电压即可导通 ， 但由于通过在漏极上追加了P+层 ， 使得在导通状态下 ， P+层向N基极注入空穴 ， 从而引发了传导性能的转变 ， 因此 ， IGBT和MOSFET相比 ， 可以得到极低的通态电阻 ， 也就是IGBT拥有较低的通态压降 。
由图1(a)可知 ， 单个IGBT元胞内包括一个MOSFET ， 一个PNP 晶体管和一个NPN 晶体管 。 PNP晶体管集电极(P基区)与NPN 晶体管发射极(N+源区)之间的电压降用等效电阻Rs表示 ， 当Rs足够小时 ， NPN晶体管的影响可以忽略不计(后面我们讲到IGBT擎住效应的时候 ， 这个寄生的NPN晶体管就会有所涉及 ， 当然 ， 还包括等效电阻Rs) 。 通常情况下 ， IGBT的等效电路模型如图1(b)右图所示 。
03开通延迟过程IGBT栅极电容的组成

Ciss= CGE+ CGC  输入电容
Coss= CGC+ CEC 输出电容
Crss= CGC   米勒电容
下面是比较详细的电容分布


对于IGBT 器件 ， 栅极电容包括四个方面电容 ， 如上图所示:
(1)栅极—发射极金属电容C1
(2)栅极—N + 源极氧化层电容C2
(3)栅极—P 基区电容Cgp ， Cgp由C3 ， C5构成;
(4)栅极—集电极电容Cgc ， Cgc由C4 ， C6构成 。 其中 ， 栅极—发射极电容( 也称为输入电容) 为Cge = C1 + C2 + Cgp ， 栅极—集电极电容( 也称为反向传输电容或密勒电容) 为Cgc 。 此外 ， Cgp随栅极电压的变化而变化 ， Cgc随IGBT 集射极电压的变化而变化 。 电容Cgp的变化趋势如下图 所示 。 因此 ， Cgp随着电压的增加 ， 其电容值先减小 ， 随着电压的进一步增加 ， 其大小又逐渐增加 ， 并达到稳定值 。

开通延时过程中驱动回路等效电路
由于在IGBT 集电极电流上升之前 ，IGBT 仍然处于关断状态 ， 栅极电压的变化量相对于IGBT的阻断电压可以忽略不计 。 因此 ， 栅极电压的上升过程对于栅极—集电极电容( Cgc) 及其电荷量的影响可以忽略不计 ， 因此开通延时阶段的充电过程只针对电容C1、C2和Cgp 。 因此 ， 结合驱动回路的等效电路 ， 可以得到上述充电过程中驱动回路的等效电路如下图所示


其中Vg为栅极驱动板输出电压 ， Ｒg为驱动电阻 ， Cin为驱动板输出端口电容 ， Ｒs和Ls分别为驱动回路寄生电阻和寄生电感 。 栅极电压开始上升一段时间后达到阈值电压 ， 集电极电流开始上升 ， 这个过程也称之为开通延迟 ， 一般我们表示为td(on) 。
基于上述分析可知 ， 栅极电压在到达阈值电压之前 ， 输入电容并不是恒定值 ， 而是有一个由大逐渐变小 ， 再逐步增大的过程 。 因此 ， 在IGBT 开通过程中 ， 驱动回路并不是给恒定电容充电 。 下图是开通过程栅极电压上升趋势

米勒平台过程
栅极电压在上升到一定值后 ， 会有一个栅极电压维持水平的阶段 ， 这个电压称之为密勒平台电压 。 由上面分析可知 ， 当栅极电压大于阈值电压 ，IGBT 开始通过正向电流 。 当集电极电流达到
最大电流时 ， 续流二极管反偏 ，IGBT 两端的电压Vce迅速低 ， 耗尽区迅速缩减 ， Vds的电压也随之降低 ， 而耗尽区缩减以及电压Vds降低的过程决定了栅极电压密勒平台的形成过程 。 栅极电压平台阶段驱动回路等效电路图如下：

栅极—集电极电容Cgc是一个电容值和带电量都变化的过程 ， 其变化过程不由栅极电压控制 ， 而是由变化的集射极电压决定 。 在这个过程中 ， 驱动回路一直给电容Cgc进行充电 ， 栅极电压Vg不上升的原因在于电压Vce一直在减小 ， 这也是密勒平台形成的直接原因 ， 这个过程中驱动回路只给Cgc电容充电 。
在Vce下降后 ， 米勒平台继续维持的原因在于此时的载流子浓度在持续增加 ， 因此电容值也在增加 ， 从而栅极电压仍然维持在密勒平台电压 。
驱动电阻对栅极电压波形的影响
上述分析了IGBT 在开通过程中栅极电压的变化过程 ， 并给出了对应的等效电路 。 根据上述分析 ， 如开通延时等效电路图 ， 在给栅极电容充电的阶段 ， 驱动电阻的值越小 ， 时间常数越小 ， 从而栅极电压上升越快 ， 开通延迟的时间越短 。 由米勒平台阶段等效电路图可知 ， 驱动电阻越小 ， 相同的栅极平台电压值 ， 平台持续时间也越短 。 驱动电阻越小 ， 平台电压之后 ， 上升到最大栅极电压的时间也越短 。
04开通过程集电极电流分析
开通电流
当栅极电压大于阈值电压时 ， 集电极电流以较快的速度上升 ， 因此在集电极电流由零上升到负载电流这一短时间内 ， 栅极电压可以近似认为是线性增长 ， 从而IGBT 集电极电流在到达负载电流之前 ， 可以认为IGBT 集电极电流曲线为二次函数曲线 ， 即
Ic=at2
其中a 由芯片参数以及功率回路参数、驱动回路参数共同决定 。
二极管反向恢复过程
IGBT 集电极电流过冲与续流二极管的反向恢复过程相对应 。 IGBT集电极电流持续增大的过程中 ， 续流二极管中的少子浓度逐渐降低 ， 反偏电流密度梯度也逐渐减小 。 当续流二极管达到反偏电流的最大值 ， 二极管中耗尽区边缘少子浓度达到热平衡浓度 。 此后 ， 二极管进入反向恢复阶段 ， 此时的IGBT 集电极电流特性更多地取决于续流二极管的反向恢复特性 ， 因为这个过程中需要将二极管中余下的过剩载流子移除 ， 且耗尽区的电势降大小为反偏电压值 。 通常情况下 ， 为了使二极管快速关断 ， 需要有较大的反偏电流和较小的少子寿命 。
05开通过程集射极电压分析
集射极电压下降过程分析
理想条件下 ， 不考虑回路中的杂散电感和电阻 ， 当续流二极管的电流达到最大反向电流时 ， 二极管开始承受反向电压 ， 此时IGBT 两端的电压急剧下降 。 IGBT集射极电压下降包括两个阶段 ， 第
一个阶段类似于MOSFET 开通机理 ， 耗尽区迅速消失 ， 电压急剧下降 ， 如下图所示的UCE_MOSFET阶段; 第二个阶段是过剩载流子在基区内扩散 ， 电导调制区扩大 ， 中性基区压降减小过程 ， 如下图所示的UCE_BJT阶段 。 由于载流子扩散的速度远远慢于耗尽区消失的速度 ， 因此这个阶段的电压衰减非常缓慢 。


杂散电感对电流上升阶段Vce的影响
感性负载双脉冲测试电路如下图

负载电感足够大 ， 在开通过程中 ， 负载电感的电流大小基本不变 。 理想条件下 ， 续流二极管承受反向电压时 ，IGBT 集射极电压开始下降 。
但是 ， 实际工况条件下 ， 主回路中存在一定的杂散电感 。 因此 ， 在集电极电流上升过程中 ， 二极管处于正向大电流偏置状态 ， 其通态压降可以忽略不计 ， 从而可以得到如下关系式:
Vce+Ls*dic/dt=Vdc
其中 ， Vce为IGBT 器件集射极电压; Ls为主回路杂散电感; ic为IGBT的集电极电流; Vdc为直流母线电压 。 因此 ， 从电流上升的时刻开始 ，IGBT器件两端的电压就低于直流母线电压 。 即
Vce=Vdc-Ls*dic/dt
结合Ic=at2得
Vce=Vdc-2aLs*t
由上式可知 ， 集电极电流上升过程中 ， 集射极电压近似线性下降; 且杂散电感越大 ， 集射极电压下降速度越快 。 主回路杂散电感的值越大 ，IGBT的开通损耗越低 ， 但是杂散电感越大 ， 导致的电压过冲的可能性也会越大 ， 导致器件损坏的可能性也越大 ， 目前都是追求小的杂散电感 。
06IGBT开通波形
IGBT的开通波形如下

分为5各阶段：

①开通延迟阶段
在这个阶段中 ， 驱动回路给输入电容充电 ， 栅极电压逐步增加 ， 当栅极电压到达阈值电压以后 ， IGBT开通 ， 集电极电流开始增加 。 需要指出的是 ， 阶段1 所示虚线圆圈内的栅极电压有一个斜
率增加的过程 ， 对应于栅极电压在上升的过程中 ， 栅极输入电容变化的过程 。
②电流上升阶段

在这个阶段中 ， MOSFET 沟道导通 ， 由于电流上升速度非常快 ， 短时间内栅极电压近似线性增长 。 当集电极电流IC小于负载电流时 ， IC可以用开口向上的二次函数拟合 ， 此时的集射极电压随着集电极电流的增加而线性减小 。
③集射极电压迅速下降过程
当IGBT集电极电流IC大于峰值电流IL+IRR以后 ， 续流二极管承受反向电压 ， 电流迅速减小 ， 从而IGBT的电流也迅速减小 。 续流二极管在承受反向电压以后 ，IGBT的集射极电压迅速降低 ， 耗尽区也迅速消失 。 耗尽区缩小的过程引起了栅极—集电极电容及其所带电荷量的迅速变化 ， 如第二节所分析 ， 栅极电压从而进入密勒平台阶段 。 从第2 阶段到第3 阶段 ， 由于集射极电压的迅速下降 ， 栅极电压Vge有一个电压跌落的过程 。
④栅极平台阶段
这个阶段的特征之一是IGBT 电流的衰减过程 ， 这由续流二极管的反向恢复特性决定 。 其次 ， IGBT集射极电压VCE继续减小 ， 这是由于开通后IGBT 内电导调制区的扩大所引起 。 在这个过程中 ， 靠近栅极侧的中性基区电势Vds不断降低 ， 栅极电压的值基本不变 。
⑤栅极电压继续上升阶段
【|IGBT开通过程分析】这个过程中 ， 驱动回路继续给栅极电容充电 ， IGBT集射极电压基本达到稳定通态压降 ，IGBT集电极电流等于负载电流 。
以上便是IGBT开通过程的分析 ， 有些地方不是说的很详细 ， 在实际应用中遇到了 ， 可以好好地研究一下 ， 这些都是蛮有意思的 ， 但是估计第一次接触会难以理解 。 但是用多了 ， 思考多了 ， 慢慢就会吸收 ， 不用则废嘛 。 现在的我就发现自己真正懂的太少了 ， 希望以这种分享的方式可以丰富自己 ， 同时 ， 喜欢的可以关注下 ， 谢谢 。



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