IGBT開通過程的分析

IGBT作為具有開關速度快，導通損耗低的電壓控制型開關器件被廣泛應用于高壓大容量變頻器和直流輸電等領域。現在IGBT的使用比較關注的是較低的導通壓降以及低的開關損耗。作為開關器件，研究它的開通和關斷過程當然是必不可少的，今天我們就來說說IGBT的開通過程。

一開始我們簡單介紹過IGBT的基本結構和工作原理，不同的行業對使用IGBT時，對于其深入的程度可能不一樣，但是作為一個開關器件，開通和關斷的過程，我覺得有必要了解一下。隨著載流子壽命控制等技術的應用， IGBT關斷損耗得到了明顯改善; 此外，大功率IGBT 器件內部續流二極管的反向恢復過程，極大地增加了IGBT 的開通損耗，因此，IGBT的開通過程越來越引起重視。

分析IGBT 在不同工況條件下的開關波形，對器件華北電力大學學報2017 的開通損耗、可能承受的電氣應力、電磁干擾噪聲

等進行評估，為驅動電路進行優化提供指導，從而改善IGBT 的開通特性。由于實際運用中，我們遇到的大多負載都屬于感性負載，所以今天我們就基于感性負載的情況下聊聊IGBT的開通過程，從IGBT 阻斷狀態下的空間電荷分布開始分析，研究了IGBT 輸入電容隨柵極電壓變化的關系，揭示了柵極電壓密勒平臺形成的機理，分析了驅動電阻對柵極電壓波形的影響。研究了IGBT 集電極電流的上升特點; 分析了IGBT 集射極電壓的下降特點，揭示了回路雜散電感對集射極電壓的影響規律。

02IGBT的基本結構

前面我們也簡單的講過了IGBT的基本結構，IGBT是由雙極型功率晶體管(高耐壓、大容量)和MOSFET(高開關速度)構成，所以IGBT具有了兩種器件的特性，高耐壓、大電流、高開關速度。

上圖是IGBT芯片的橫向截面圖，圖中的P+和N+表示集電區和源區為重摻雜，N-表示基區摻雜濃度較低。IGBT和MOSFET一樣，在門極上外加正向電壓即可導通，但由于通過在漏極上追加了P+層，使得在導通狀態下，P+層向N基極注入空穴，從而引發了傳導性能的轉變，因此，IGBT和MOSFET相比，可以得到極低的通態電阻，也就是IGBT擁有較低的通態壓降。

由圖1(a)可知，單個IGBT元胞內包括一個MOSFET，一個PNP 晶體管和一個NPN 晶體管。PNP晶體管集電極(P基區)與NPN 晶體管發射極(N+源區)之間的電壓降用等效電阻Rs表示，當Rs足夠小時，NPN晶體管的影響可以忽略不計(后面我們講到IGBT擎住效應的時候，這個寄生的NPN晶體管就會有所涉及，當然，還包括等效電阻Rs)。通常情況下，IGBT的等效電路模型如圖1(b)右圖所示。

03開通延遲過程

IGBT柵極電容的組成

Ciss= CGE+ CGC輸入電容

Coss= CGC+ CEC輸出電容

Crss= CGC 米勒電容

下面是比較詳細的電容分布：

對于IGBT 器件，柵極電容包括四個方面電容，如上圖所示：

(1)柵極—發射極金屬電容C1

(2)柵極—N + 源極氧化層電容C2

(3)柵極—P 基區電容Cgp，Cgp由C3，C5構成;

(4)柵極—集電極電容Cgc，Cgc由C4，C6構成。其中，柵極—發射極電容( 也稱為輸入電容) 為Cge = C1 + C2 + Cgp，柵極—集電極電容( 也稱為反向傳輸電容或密勒電容) 為Cgc。此外，Cgp隨柵極電壓的變化而變化，Cgc隨IGBT 集射極電壓的變化而變化。電容Cgp的變化趨勢如下圖 所示。因此，Cgp隨著電壓的增加，其電容值先減小，隨著電壓的進一步增加，其大小又逐漸增加，并達到穩定值。

開通延時過程中驅動回路等效電路

由于在IGBT 集電極電流上升之前， IGBT 仍然處于關斷狀態，柵極電壓的變化量相對于IGBT的阻斷電壓可以忽略不計。因此，柵極電壓的上升過程對于柵極—集電極電容( Cgc) 及其電荷量的影響可以忽略不計，因此開通延時階段的充電過程只針對電容C1、C2和Cgp。因此，結合驅動回路的等效電路，可以得到上述充電過程中驅動回路的等效電路如下圖所示：

其中Vg為柵極驅動板輸出電壓，Ｒg為驅動電阻，Cin為驅動板輸出端口電容，Ｒs和Ls分別為驅動回路寄生電阻和寄生電感。柵極電壓開始上升一段時間后達到閾值電壓，集電極電流開始上升，這個過程也稱之為開通延遲，一般我們表示為td(on)。

基于上述分析可知，柵極電壓在到達閾值電壓之前，輸入電容并不是恒定值，而是有一個由大逐漸變小，再逐步增大的過程。因此，在IGBT 開通過程中，驅動回路并不是給恒定電容充電。下圖是開通過程柵極電壓上升趨勢：

米勒平臺過程

柵極電壓在上升到一定值后，會有一個柵極電壓維持水平的階段，這個電壓稱之為密勒平臺電壓。由上面分析可知，當柵極電壓大于閾值電壓， IGBT 開始通過正向電流。當集電極電流達到

最大電流時，續流二極管反偏， IGBT 兩端的電壓Vce迅速低，耗盡區迅速縮減，Vds的電壓也隨之降低，而耗盡區縮減以及電壓Vds降低的過程決定了柵極電壓密勒平臺的形成過程。柵極電壓平臺階段驅動回路等效電路圖如下：

柵極—集電極電容Cgc是一個電容值和帶電量都變化的過程，其變化過程不由柵極電壓控制，而是由變化的集射極電壓決定。在這個過程中，驅動回路一直給電容Cgc進行充電，柵極電壓Vg不上升的原因在于電壓Vce一直在減小，這也是密勒平臺形成的直接原因，這個過程中驅動回路只給Cgc電容充電。

在Vce下降后，米勒平臺繼續維持的原因在于此時的載流子濃度在持續增加，因此電容值也在增加，從而柵極電壓仍然維持在密勒平臺電壓。

驅動電阻對柵極電壓波形的影響

上述分析了IGBT 在開通過程中柵極電壓的變化過程，并給出了對應的等效電路。根據上述分析，如開通延時等效電路圖，在給柵極電容充電的階段，驅動電阻的值越小，時間常數越小，從而柵極電壓上升越快，開通延遲的時間越短。由米勒平臺階段等效電路圖可知，驅動電阻越小，相同的柵極平臺電壓值，平臺持續時間也越短。驅動電阻越小，平臺電壓之后，上升到最大柵極電壓的時間也越短。

04開通過程集電極電流分析

開通電流

當柵極電壓大于閾值電壓時，集電極電流以較快的速度上升，因此在集電極電流由零上升到負載電流這一短時間內，柵極電壓可以近似認為是線性增長，從而IGBT 集電極電流在到達負載電流之前，可以認為IGBT 集電極電流曲線為二次函數曲線，即

Ic=at2

其中a 由芯片參數以及功率回路參數、驅動回路參數共同決定。

二極管反向恢復過程

IGBT 集電極電流過沖與續流二極管的反向恢復過程相對應。IGBT集電極電流持續增大的過程中，續流二極管中的少子濃度逐漸降低，反偏電流密度梯度也逐漸減小。當續流二極管達到反偏電流的最大值，二極管中耗盡區邊緣少子濃度達到熱平衡濃度。此后，二極管進入反向恢復階段，此時的IGBT 集電極電流特性更多地取決于續流二極管的反向恢復特性，因為這個過程中需要將二極管中余下的過剩載流子移除，且耗盡區的電勢降大小為反偏電壓值。通常情況下，為了使二極管快速關斷，需要有較大的反偏電流和較小的少子壽命。

05

開通過程集射極電壓分析

集射極電壓下降過程分析

理想條件下，不考慮回路中的雜散電感和電阻，當續流二極管的電流達到最大反向電流時，二極管開始承受反向電壓，此時IGBT 兩端的電壓急劇下降。IGBT集射極電壓下降包括兩個階段，第一個階段類似于MOSFET 開通機理，耗盡區迅速消失，電壓急劇下降，如下圖所示的UCE_MOSFET階段; 第二個階段是過剩載流子在基區內擴散，電導調制區擴大，中性基區壓降減小過程，如下圖所示的UCE_BJT階段。由于載流子擴散的速度遠遠慢于耗盡區消失的速度，因此這個階段的電壓衰減非常緩慢。

雜散電感對電流上升階段Vce的影響

感性負載雙脈沖測試電路如下圖：

負載電感足夠大，在開通過程中，負載電感的電流大小基本不變。理想條件下，續流二極管承受反向電壓時， IGBT 集射極電壓開始下降。

但是，實際工況條件下，主回路中存在一定的雜散電感。因此，在集電極電流上升過程中，二極管處于正向大電流偏置狀態，其通態壓降可以忽略不計，從而可以得到如下關系式:

Vce+Ls*dic/dt=Vdc

其中，Vce為IGBT 器件集射極電壓; Ls為主回路雜散電感; ic為IGBT的集電極電流; Vdc為直流母線電壓。因此，從電流上升的時刻開始， IGBT器件兩端的電壓就低于直流母線電壓。即

Vce=Vdc-Ls*dic/dt

結合Ic=at2得

Vce=Vdc-2aLs*t

由上式可知，集電極電流上升過程中，集射極電壓近似線性下降; 且雜散電感越大，集射極電壓下降速度越快。主回路雜散電感的值越大， IGBT的開通損耗越低，但是雜散電感越大，導致的電壓過沖的可能性也會越大，導致器件損壞的可能性也越大，目前都是追求小的雜散電感。

06IGBT開通波形

IGBT的開通波形如下：

分為5各階段：

①開通延遲階段

在這個階段中，驅動回路給輸入電容充電，柵極電壓逐步增加，當柵極電壓到達閾值電壓以后，IGBT開通，集電極電流開始增加。需要指出的是，階段1 所示虛線圓圈內的柵極電壓有一個斜率增加的過程，對應于柵極電壓在上升的過程中，柵極輸入電容變化的過程。

②電流上升階段

在這個階段中，MOSFET 溝道導通，由于電流上升速度非常快，短時間內柵極電壓近似線性增長。當集電極電流IC小于負載電流時，IC可以用開口向上的二次函數擬合，此時的集射極電壓隨著集電極電流的增加而線性減小。

③集射極電壓迅速下降過程

當IGBT集電極電流IC大于峰值電流IL+IRR以后，續流二極管承受反向電壓，電流迅速減小，從而IGBT的電流也迅速減小。續流二極管在承受反向電壓以后， IGBT的集射極電壓迅速降低，耗盡區也迅速消失。耗盡區縮小的過程引起了柵極—集電極電容及其所帶電荷量的迅速變化，如第二節所分析，柵極電壓從而進入密勒平臺階段。從第2 階段到第3 階段，由于集射極電壓的迅速下降，柵極電壓Vge有一個電壓跌落的過程。

④柵極平臺階段

這個階段的特征之一是IGBT 電流的衰減過程，這由續流二極管的反向恢復特性決定。其次，IGBT集射極電壓VCE繼續減小，這是由于開通后IGBT 內電導調制區的擴大所引起。在這個過程中，靠近柵極側的中性基區電勢Vds不斷降低，柵極電壓的值基本不變。

⑤柵極電壓繼續上升階段

這個過程中，驅動回路繼續給柵極電容充電，IGBT集射極電壓基本達到穩定通態壓降， IGBT集電極電流等于負載電流。