服務熱線
專欄作家
專欄作家
IGBT週轉流程是怎麼樣的？ （第一講）
2022-03-17
1493
從事電力電子業的朋友可能對IGBT並不陌生。 IGBT的全名為絕緣柵雙極型電晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor），是由MOS（絕緣柵場效電晶體）和BJT（雙極型電晶體）組成的複合全控型功率半導體元件，俗稱電力電子元件的「CPU」。透過十幾伏特的閘極控制訊號， 可實現kV電壓和kA電流的控制。作為國家戰略性新興產業，廣泛應用於軌道運輸、智慧電網、工業節能、電動車和新能源裝備等領域。但你真的了解IGBT嗎？ 今天我們來討論一下IGBT的關斷過程，開始之前先拋一個問題，大家可以思考一下，圖1是IGBT關斷閘極電阻與電壓尖峰的關係圖：
圖 1. IGBT 關斷過電壓與閘極電阻的關係 [1]當IGBT的閘極關斷電阻增加時，電壓尖峰是否會增加？ 這是什麼鬼？ 是不是跟我們想像的不一樣呢？我們先來看看IGBT的關斷電阻和關斷損耗之間的關係，從圖2可以看出，IGBT的關斷電阻對關斷損耗的影響很小。
從上面兩張圖來看，透過閘極電阻來影響IGBT的關斷特性似乎不太理想。然而事實如此，那麼就沒有解決辦法了嗎？ 總得有一些辦法，先賣個囚徒子，以後再說！今天我們就來簡單說一下IGBT的關斷過程，並從根源上分析一下造成上述現象的原因。要理解IGBT的關斷過程，需要先簡單回顧一下IGBT的工作原理。前面提到過，IGBT是由MOS和BJT組成的功率元件。 圖1為NPT IGBT的內部結構及等效電路，我們都知道IGBT是雙極型元件，即電子和電洞都參與導電。 設流過MOS的電子電流為in，流經pnp三極管的電洞電流為Ip，則流經IGBT的集電極電流IC為in+IP。
根據電晶體的工作原理，PNP電晶體的集電極電流Ip與基極電流in之間存在如下關係：
βpnp是電晶體的共射極電流放大係數，αpnp是電晶體的共基極電流放大係數。 需要注意的是，IGBT集極側的PNP電晶體僅在結構上相當於PNP電晶體，在性能上與實際用於電流放大的電晶體相差甚遠[3]。 真正的電晶體可以放大電流，即Ip>>In，而對於IGBT來說，電子電流In基本上等於電洞電流Ip。說完了晶體管，我們再來談談MOS。我們都知道MOS是壓控元件。 MOS管的通道電流In與開關過程中的閘極電壓有以下關係：
式中，Kp是與裝置結構和載子特性相關的係數，Vge,th是閾值電壓。說到這兒，大家可能稍微清楚一點了，我們控制IGBT閘極電壓的其實是內部的MOS，它直接受電子電流In的影響，而電洞電流Ip與閘極電壓Vge沒有直接關係。回到正題，我們先來看看IGBT的關斷過程。通常，IGBT的關斷過程根據其外部特性可以分為五個階段，如下圖所示：
圖4. IGBT關斷外部特性
第一階段(t1-t0)：閘極電容放電，閘極電壓指數下降至彌勒平台電壓Vgep。第二階段(t1-t2)：彌勒平台階段，閘極電壓基本上不變，Vgep電壓取決於負載電流，閘極電流對彌勒電容充電，集極電壓略有上升。第三階段(t1-t2)：集極電壓上升階段，IGBT集極電壓Vce快速上升至母線電壓，同時閘極電壓由彌勒平台Vgep下降至閾值電壓Vge,th，閘極完全關斷。第四階段(t3-t2)：集極電流減少階段，IGBT集極電壓已上升至母線電壓Vdc，IGBT對應的二極體進入正向導通階段，負載電流快速由IGBT轉移至二極體。 Ic電流迅速下降到拖尾電流，由於雜散電感的存在，集電極電壓有一定的電壓過衝。階段3(t4-t3)：拖尾電流過程，此階段電流下降的速度主要由裝置的載子壽命決定。有人可能會問為什麼電流開始下降的時候閘極就關斷了，很多論文都顯示，當IGBT的集極電流下降到4的時候，閘極就會關斷。這些圖對於簡單理解IGBT的開關特性沒有任何問題，嚴格的說還是有點問題的，不過我們不要太糾結，其實我們很難去測試IGBT的閘極什麼時候關斷，因為我們畢竟不是學半導體的，很多參數我們都不知道！以下從內部機理層面來描述IGBT的關斷過程：首先，來看IGBT關前內部載子的分佈。圖5對應的是圖4中t5時刻之前，即導通狀態下IGBT內部載子的分佈。這裡我們主要討論N-基區中的載子分佈，因為IGBT的開關特性主要受N-基區中載子的影響。導通狀態下，N-基區充滿了電子和電洞，因此該區域也可以稱為載子儲存區（CSR）或等離子體。導通過程中，IGBT基區中電子電流與電洞電流之比近似為0：5，主要是因為在相同條件下電子的遷移率是電洞的0倍[4]。
當在IGBT閘極上施加零偏壓或負偏壓時，元件進入關斷過程。 首先，隨著閘極電壓的降低，從N+源區經MOS通道注入到N-基區的電子電流逐漸減小，而外部集電極電流受負載電感的影響保持不變，因此IGBT模組內部的電子電流和電洞電流都會偏離其原來的平衡狀態。 圖3描繪了此階段IGBT N-基區載流子的變化情況，對應圖0中t3-t4時刻的載子分佈，其中N-基區左側的CSR區中仍存在大量的電子、電洞對。 N基區右側為空間電荷區（SCR），此區域無殘留載子，也可稱為耗盡層。 IGBT關斷時，此區域帶電，SCR區中電子電流逐漸減小，電洞電流逐漸增加。
當IGBT閘極電壓繼續降低到閾值電壓Vgeth時，內部MOS導通通道完全關斷，In1為0，從而切斷PNP三極體的基極電流。 PNP電晶體的射極將不再向N-基極區注入電洞。圖7對應IGBT關斷特性的t3時刻。此時空間電荷區電子電流為零，負載電流完全由電洞電流Ip1維持，而CSR區中電子和電洞仍然存在。
當IGBT的集電極電壓Vce上升到母線電壓時，集電極電流IC迅速下降，下降速率由裝置本身的特性決定，將不再受閘極的控制。 圖8對應於圖3中的t4-t4。 XNUMX. 此階段完成後，CSR區域中還剩下少量載子，剩餘載子的消除主要取決於其複合速率，對外表現為拖尾電流。
說到這裡大家可能明白了，IGBT集電極電流下降的速度能否被閘極控制，取決於在IGBT電流下降階段MOS通道注入的電子電流是否還發揮作用。 這裡我們可以用公式來描述IGBT的關斷下降率：
從公式中不難發現，In1必須有一定的話語權，才能控制關斷時集電極電流的下降斜率。如何提高MOS溝道電子電流的比例？
方法有兩種，一是減慢IGBT的關斷速度，二是向閘極注入電子電流。 目前這兩種方法在IGBT閘極驅動上都有很好的應用。 減緩關機速度的方法有哪些？ 當然加大電阻也是可以的，但是關斷延時或損耗很大，得不償失； 另一種方法是採用主動驅動技術，僅當IGBT電流下降時才採取措施減慢IGBT的關斷速度，這種方法可以在開關延遲、過壓和損耗之間取得良好的折衷。 國產飛士德數位驅動器有這個功能，有興趣的可以了解一下（這裡不是廣告，純粹是技術交流）！ 那麼如何向閘極注入電流呢？ 這就是我們常說的集極電壓主動箝位技術。
圖 1. IGBT 關斷過電壓與閘極電阻的關係 [1]當IGBT的閘極關斷電阻增加時，電壓尖峰是否會增加？ 這是什麼鬼？ 是不是跟我們想像的不一樣呢？我們先來看看IGBT的關斷電阻和關斷損耗之間的關係，從圖2可以看出，IGBT的關斷電阻對關斷損耗的影響很小。
從上面兩張圖來看，透過閘極電阻來影響IGBT的關斷特性似乎不太理想。然而事實如此，那麼就沒有解決辦法了嗎？ 總得有一些辦法，先賣個囚徒子，以後再說！今天我們就來簡單說一下IGBT的關斷過程，並從根源上分析一下造成上述現象的原因。要理解IGBT的關斷過程，需要先簡單回顧一下IGBT的工作原理。前面提到過，IGBT是由MOS和BJT組成的功率元件。 圖1為NPT IGBT的內部結構及等效電路，我們都知道IGBT是雙極型元件，即電子和電洞都參與導電。 設流過MOS的電子電流為in，流經pnp三極管的電洞電流為Ip，則流經IGBT的集電極電流IC為in+IP。
根據電晶體的工作原理，PNP電晶體的集電極電流Ip與基極電流in之間存在如下關係：
βpnp是電晶體的共射極電流放大係數，αpnp是電晶體的共基極電流放大係數。 需要注意的是，IGBT集極側的PNP電晶體僅在結構上相當於PNP電晶體，在性能上與實際用於電流放大的電晶體相差甚遠[3]。 真正的電晶體可以放大電流，即Ip>>In，而對於IGBT來說，電子電流In基本上等於電洞電流Ip。說完了晶體管，我們再來談談MOS。我們都知道MOS是壓控元件。 MOS管的通道電流In與開關過程中的閘極電壓有以下關係：
式中，Kp是與裝置結構和載子特性相關的係數，Vge,th是閾值電壓。說到這兒，大家可能稍微清楚一點了，我們控制IGBT閘極電壓的其實是內部的MOS，它直接受電子電流In的影響，而電洞電流Ip與閘極電壓Vge沒有直接關係。回到正題，我們先來看看IGBT的關斷過程。通常，IGBT的關斷過程根據其外部特性可以分為五個階段，如下圖所示：
圖4. IGBT關斷外部特性第一階段(t1-t0)：閘極電容放電，閘極電壓指數下降至彌勒平台電壓Vgep。第二階段(t1-t2)：彌勒平台階段，閘極電壓基本上不變，Vgep電壓取決於負載電流，閘極電流對彌勒電容充電，集極電壓略有上升。第三階段(t1-t2)：集極電壓上升階段，IGBT集極電壓Vce快速上升至母線電壓，同時閘極電壓由彌勒平台Vgep下降至閾值電壓Vge,th，閘極完全關斷。第四階段(t3-t2)：集極電流減少階段，IGBT集極電壓已上升至母線電壓Vdc，IGBT對應的二極體進入正向導通階段，負載電流快速由IGBT轉移至二極體。 Ic電流迅速下降到拖尾電流，由於雜散電感的存在，集電極電壓有一定的電壓過衝。階段3(t4-t3)：拖尾電流過程，此階段電流下降的速度主要由裝置的載子壽命決定。有人可能會問為什麼電流開始下降的時候閘極就關斷了，很多論文都顯示，當IGBT的集極電流下降到4的時候，閘極就會關斷。這些圖對於簡單理解IGBT的開關特性沒有任何問題，嚴格的說還是有點問題的，不過我們不要太糾結，其實我們很難去測試IGBT的閘極什麼時候關斷，因為我們畢竟不是學半導體的，很多參數我們都不知道！以下從內部機理層面來描述IGBT的關斷過程：首先，來看IGBT關前內部載子的分佈。圖5對應的是圖4中t5時刻之前，即導通狀態下IGBT內部載子的分佈。這裡我們主要討論N-基區中的載子分佈，因為IGBT的開關特性主要受N-基區中載子的影響。導通狀態下，N-基區充滿了電子和電洞，因此該區域也可以稱為載子儲存區（CSR）或等離子體。導通過程中，IGBT基區中電子電流與電洞電流之比近似為0：5，主要是因為在相同條件下電子的遷移率是電洞的0倍[4]。
當在IGBT閘極上施加零偏壓或負偏壓時，元件進入關斷過程。 首先，隨著閘極電壓的降低，從N+源區經MOS通道注入到N-基區的電子電流逐漸減小，而外部集電極電流受負載電感的影響保持不變，因此IGBT模組內部的電子電流和電洞電流都會偏離其原來的平衡狀態。 圖3描繪了此階段IGBT N-基區載流子的變化情況，對應圖0中t3-t4時刻的載子分佈，其中N-基區左側的CSR區中仍存在大量的電子、電洞對。 N基區右側為空間電荷區（SCR），此區域無殘留載子，也可稱為耗盡層。 IGBT關斷時，此區域帶電，SCR區中電子電流逐漸減小，電洞電流逐漸增加。
當IGBT閘極電壓繼續降低到閾值電壓Vgeth時，內部MOS導通通道完全關斷，In1為0，從而切斷PNP三極體的基極電流。 PNP電晶體的射極將不再向N-基極區注入電洞。圖7對應IGBT關斷特性的t3時刻。此時空間電荷區電子電流為零，負載電流完全由電洞電流Ip1維持，而CSR區中電子和電洞仍然存在。
當IGBT的集電極電壓Vce上升到母線電壓時，集電極電流IC迅速下降，下降速率由裝置本身的特性決定，將不再受閘極的控制。 圖8對應於圖3中的t4-t4。 XNUMX. 此階段完成後，CSR區域中還剩下少量載子，剩餘載子的消除主要取決於其複合速率，對外表現為拖尾電流。
說到這裡大家可能明白了，IGBT集電極電流下降的速度能否被閘極控制，取決於在IGBT電流下降階段MOS通道注入的電子電流是否還發揮作用。 這裡我們可以用公式來描述IGBT的關斷下降率：
從公式中不難發現，In1必須有一定的話語權，才能控制關斷時集電極電流的下降斜率。如何提高MOS溝道電子電流的比例？
方法有兩種，一是減慢IGBT的關斷速度，二是向閘極注入電子電流。 目前這兩種方法在IGBT閘極驅動上都有很好的應用。 減緩關機速度的方法有哪些？ 當然加大電阻也是可以的，但是關斷延時或損耗很大，得不償失； 另一種方法是採用主動驅動技術，僅當IGBT電流下降時才採取措施減慢IGBT的關斷速度，這種方法可以在開關延遲、過壓和損耗之間取得良好的折衷。 國產飛士德數位驅動器有這個功能，有興趣的可以了解一下（這裡不是廣告，純粹是技術交流）！ 那麼如何向閘極注入電流呢？ 這就是我們常說的集極電壓主動箝位技術。
免責聲明：本文轉載自《汽車半導體情報局》。本文僅代表作者個人觀點，並不代表Sacco Micro及業界的觀點。僅供轉載分享，支持保護智慧財產權。轉載時請註明原出處及作者。如有侵權，請聯絡我們刪除。
公司電話：+86-0755-83044319
傳真/傳真：+86-0755-83975897
郵箱：1615456225@qq.com
QQ：3518641314 李經理
QQ：332496225 邱經理
地址：深圳市龍華新區民治大道809號展濤科技大樓C座1079室
相關推薦
粤公网安备44030002007346号