IGBT开通过程分析

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，对器件华北电力大学学报2017 的开通损耗、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。

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。

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。

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。

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。

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

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。