IGBT--退飽和問題

IGBT--退飽和問題

這是某產品輸出特性曲線，可以看到IGBT工作區分為三個部分：

1、截止區：CE間電壓小于0.7V，IGBT背面PN結截止，無電流流動。

2、飽和區：CE間電壓大于0.7V，電流開始流動，CE間電壓隨著集電極電流上升而線性上升。這是IGBT希望的工作狀態。

3、放大區：隨著CE間電壓繼續上升，電流進一步增大。到一定臨界點后，CE電壓迅速增大，而集電極電流并不隨之增長。這時我們稱IGBT退出了飽和區。

為什么IGBT會發生退飽和現象?

這要從IGBT的平面結構說起。IGBT和MOSFET有類似的器件結構，MOS中的漏極D相當于IGBT的集電極C，而MOS的源極S相當于IGBT的發射極E，二者都會發生退飽和現象。下圖所示是一個簡化的MOS剖面圖，以此來闡述退飽和發生的原因。柵極施加一個大于閾值的正壓VGS，則柵極氧化層下方會形成導電溝道，這時如果給漏極D施加正壓VDS，則源極中的電子便會在電場的作用下源源不斷地從漏極D流向源極S，這樣電流便形成了，這時電流隨DS電壓的增長而線性增長。隨著DS電壓的增大，使得柵極和硅表面的電壓差很小而不能維持硅表面的強反型，溝道出現夾斷現象，電流不再隨DS電壓的增加而成比例增長。

正常工作

退飽和狀態

那么在應用中，退飽和現象會有什么危害呢?

在實際應用中，退飽和現象一般發生在器件短路時，這時CE電壓上升到母線電壓，電流一般是額定電流的4倍(見各器件規格書)，功率異常增大，結溫急劇上升，不及時關斷器件就有可能燒毀器件。多數IGBT有一定的短路承受能力，一般在10us之內，具體參見各產品規格書。

遇到退飽和現象怎么辦

1、最簡單的辦法：監測電流，電流超過一定的閾值后驅動器報錯，關斷IGBT。這種方法本質上是過流檢測，無法將過流與退飽和相區分。

2、檢測器件的CE電壓。IGBT正常工作時CE電壓很低，一般在1V到3V之間，而IGBT發生退飽和之后CE電壓會迅速上升。退飽和檢測電路事先設定一個閾值電壓，比如9V，當CE間電壓超過9V時，驅動芯片報錯，關斷IGBT。目前多數驅動芯片廠商都推出了集成了退飽和檢測功能的芯片，只需要簡單的外圍電路即可實現。下面是一個典型的退飽和檢測電路(圖中功率器件為MOSFET，換成IGBT通用)。驅動芯片內置一個500uA恒流源，器件正常工作時壓降很低，500uA的電流流過功率器件;當器件退飽和后壓降急劇升高，二極管DDESAT截止，500uA電流只能向電容CDESAT充電，當CDESAT上的電壓超過9V時，芯片內部比較器翻轉，邏輯電路報錯。

退飽和關斷時注意什么

因為在退飽和狀態下器件電流非常大，如果不加限制地關斷IGBT，會產生很大的di/dt，施加在回路的寄生電感上就會感應出很高的CE電壓，如果這個電壓高于器件額定電壓，那么IGBT就有可能損壞。我們有兩種手段來控制關斷時的電壓尖峰

1、軟關斷：當驅動器檢測到短路時，軟關斷功能不是將IGBT的柵極電壓直接轉換成0V或者相應的負壓，而是利用一個相對較大的電阻，通過它給柵射之間的電容Cge放電，從而降低IGBT的關斷速度，避免產生過電壓。一旦柵極電壓降低到某個值(如2V)，大電阻就會被一個小電阻取代，這樣可以確保快速而完全地給柵射電容Cge放電。

2、有源鉗位：有源鉗位的基本原理如圖a所示，只要集電極處的電位超過了某一特定電壓臨界值UCE，且這個電壓高于二極管VD1的雪崩電壓，電流I1流過D1,D2,RG和T2， 如果RG上的電流大于IGBT的閾值電壓Vth，則IGBT再次開通，關斷過程減慢，從而集電極電壓得到抑制。這種方法對TVS管的要求較高，且會增大柵極-集電極之間的電容，因此實際中經常采用會把信號反饋到柵極放大器的推挽前級，如圖所示。

審核編輯：湯梓紅