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(yīng)管）和BJT（雙極性晶體管）組成的復(fù)合全控型功率半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)kV級電壓和kA級電流的控制，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、工業(yè)節(jié)能、電動汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)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(guān)斷過程，在開始之前，先拋出一個(gè)問題，大家可以考慮一下，圖1展示了IGBT關(guān)斷門極電阻和電壓尖峰的關(guān)系：  
 
  圖1. IGBT關(guān)斷過壓與門極電阻關(guān)系[1]  
  增加IGBT的門極關(guān)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(guān)斷電阻與關(guān)斷損耗的關(guān)系，通過圖2可以看出IGBT的關(guān)斷電阻對關(guān)斷損耗的影響甚微。  
    圖2. IGBT關(guān)斷損耗與門極電阻關(guān)系[2]  
  從以上兩張圖片可知，通過門極電阻影響IGBT關(guān)斷特性似乎并不理想，然而事實(shí)確實(shí)如此，那就沒有解決方法了嗎？方法肯定是有的，先賣個(gè)關(guān)子，等后面再說！  
  今天我們先簡單聊聊IGBT的關(guān)斷過程，從根源上分析一下導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因。  
  要想了解IGBT的關(guān)斷過程，有必要對IGBT的工作原理做簡單回顧，前面已經(jīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dǎo)電。假設(shè)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。  
    圖3  IGBT等效電路
 
  根據(jù)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(guān)系：    
  其中，βpnp為晶體管的共射極電流放大系數(shù)，αpnp為晶體管的共基極電流放大系數(shù)。需要注意的是IGBT集電極一側(cè)的PNP晶體管，僅僅是在結(jié)構(gòu)上等效為PNP晶體管，在性能上和實(shí)際用于電流放大的晶體管相差甚遠(yuǎn)[3]。真實(shí)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(dāng)。  
  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(guān)過程中與門極電壓有如下關(guān)系：  
   
  式中，Kp為與器件結(jié)構(gòu)和載流子特性相關(guān)的系數(shù)，Vge,th為閾值電壓。  
  說到這里大家可能有點(diǎn)明白了，我們控制IGBT門極電壓實(shí)際上控制的是內(nèi)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(guān)系。  
  回到主題，讓我們再來看看IGBT的關(guān)斷過程，通常情況下根據(jù)IGBT的外特性可以將其關(guān)斷過程分為5個(gè)階段，如下圖所示：  
    圖4. IGBT關(guān)斷外特性
 
  階段1（t0-t1）：柵極電容放電，門極電壓以指數(shù)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(fù)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(shí)門極電壓由彌勒平臺Vgep下降至閾值電壓Vge,th，門極完全關(guān)斷。  
  階段4（t3-t4）：集電極電流下降階段，IGBT集電極電壓已經(jīng)上升至母線電壓Vdc，與IGBT相對應(yīng)的二極管進(jìn)入正向?qū)A段，負(fù)載電流由IGBT迅速轉(zhuǎn)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(shí)，柵極就關(guān)斷了？好多論文給的圖是在IGBT集電極電流下降到0時(shí)，柵極才會關(guān)斷啊。這些圖對于簡單的理解IGBT開關(guān)特性是沒有什么問題的，嚴(yán)格來說確實(shí)有點(diǎn)問題，但是大家也不要太過糾結(jié)，事實(shí)上我們很難測試IGBT柵極到底是什么時(shí)候關(guān)斷的，因?yàn)槲覀儺吘共皇茄芯堪雽?dǎo)體的，很多參數(shù)也不知道！  
  下面從內(nèi)部機(jī)理層面再來描述一下IGBT的關(guān)斷過程：  
  首先看一下IGBT關(guān)斷之前內(nèi)部載流子的分布情況，圖5對應(yīng)圖4 中t0時(shí)刻以前，即通態(tài)下IGBT內(nèi)部載流子的分布情況。在這里我們主要討論N-基區(qū)內(nèi)的載流子分布，因為IGBT的開關(guān)特性主要受N-基區(qū)載流子影響。通態(tài)下，N-基區(qū)充滿了電子和空穴，因此該區(qū)域也可以稱為載流子存儲區(qū)(Carrier Storage Region，CSR )或等離子區(qū)（Plasma）。通態(tài)過程中，IGBT內(nèi)部基區(qū)電子電流和空穴電流大致為3：1，主要是因?yàn)樵谕瑯拥臈l件下，電子的遷移率是空穴遷移率的3倍[4]。  
    圖5. t₀時(shí)刻以前載流子分布
 
  當(dāng)在IGBT柵極施加一個(gè)為零或負(fù)的偏置電壓時(shí)，器件進(jìn)入關(guān)斷過程。首先，隨著門極電壓的減小，由N+源區(qū)經(jīng)MOS溝道注入到N-基區(qū)的電子電流逐漸減少，而此時(shí)外部的集電極電流受負(fù)載電感影響保持不變，因此IGBT模塊內(nèi)部電子電流和空穴電流將偏離其原有的平衡狀態(tài)。圖3描述了該階段IGBT內(nèi)部N-基區(qū)載流子的變化情況，對應(yīng)圖4 中 t0-t3時(shí)間段載流子分布，其中N-基區(qū)左側(cè)的CSR區(qū)域依然存在大量電子和空穴對。N-基區(qū)右側(cè)為空間電荷區(qū)(Space Charge Region，SCR )，該區(qū)域內(nèi)沒有剩余載流子，也可以稱為耗盡層，在IGBT關(guān)斷過程中該區(qū)域承載電壓，SCR區(qū)域內(nèi)電子電流逐漸減小，而空穴電流逐漸增大。  
    圖6. t₀-t₃時(shí)間段載流子分布
 
  當(dāng)IGBT的柵極電壓繼續(xù)減小至閾值電壓Vgeth時(shí)，內(nèi)部MOS導(dǎo)電溝道完全關(guān)斷，In1為0，切斷了PNP晶體管的基極電流。PNP晶體管的發(fā)射極將不再向N-基區(qū)注入空穴，圖7對應(yīng)IGBT關(guān)斷外特性的t3時(shí)刻，該時(shí)刻空間電荷區(qū)的電子電流為0，負(fù)載電流完全由空穴電流Ip1維持，而CSR區(qū)域的電子和空穴依然存在。  
    圖7. t₃時(shí)刻載流子分布  
  當(dāng)IGBT集電極電壓Vce上升至母線電壓時(shí)，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(yīng)圖4中的t3-t4時(shí)間段。該階段完成后，CSR區(qū)域還剩下少量載流子，剩余載流子的消除主要由自身復(fù)合率決定，對外呈現(xiàn)為拖尾電流。  
    圖8. t₃-t₄時(shí)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(guān)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(guān)斷下降速率：  
   
  通過公式不難發(fā)現(xiàn)，要想在關(guān)斷的時(shí)候控制集電極電流下降斜率，In1必須要有一定的話語權(quán)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(guān)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(qū)動上均有較好的應(yīng)用。減緩關(guān)斷速度又有哪些方法呢? 增加電阻當(dāng)然可以，但是帶來的關(guān)斷延時(shí)或損耗都非常大，得不償失；另一種方法就是采用有源驅(qū)動技術(shù)，只在IGBT電流下降階段，采取措施減緩IGBT的關(guān)斷速度，該方法能夠在開關(guān)延時(shí)、過壓和損耗之間取得較好的折中。國內(nèi)飛仕得數(shù)字驅(qū)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(shù)交流）！那向門極注入電流又是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？這就是我們常說的集電極電壓有源鉗位技術(shù)。

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