IGBT关断过程分析

绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 是双极型晶体管(BJT) 和场效应晶体管(MOSFET) 的复合器件,IGBT将BJT的电导调制效应引入到VDMOS 的高阻漂移区, 大大改善了器件的导通特性, 同时还具有MOSFET栅极输入阻抗高、开关速度快的特点。很多情况，由于对IGBT关断机理认识不清, 对关断时间随电压和电流的变化规律认识不清, 导致无法解释在使用过程中出现的电流拖尾长、死区时间长等现象, 不能充分发挥IGBT 的性能; 导致IGBT因使用不当, 烧毁。今天我们就IGBT关断时的电流和电压进行简单的叙述。

                                                                                   关断机理

IGBT 结构等同于n 沟道MOSFET与pnp晶体管构成的达林顿结构, MOSFET 的漏极与pnp晶体管的基极相连。等效电路和基本结构图如下：

IGBT的关断波形如下图所示，大致分为三个阶段：①关断延迟时间td(off)；②关断过程中电压上升到10%到电流下降到90%时间Δt；③关断下降时间tf。

IGBT关断时间表达式为：

toff=td(off)+Δt +tf

ICE=IMOS+IC(BJT)=Ids+Ice

BJT 是一种电流控制型器件, 发射极e和集电极c传导的工作电流受基极b引入的较小电流的控制, 如等效电路所示, BJT受MOSFET漏极电流控制. 在IGBT关断td(off)和Δt 程中, MOSFET 的门极电压Vgs减小至Miller平台电压Vmr, 漏源电压Vds增大至Vds(max), 而漏源电流Ids保持不变. 由于Ib=Ids, BJT的集射极电流Ice受Ib控制, 所以,在IGBT关断td(off)和Δt过程中, Ice电流仍然保持不变, 如上图所示. 由上式ICE等式可知, IGBT的集射极电流ICE保持不变. 可见,IGBT关断td(off) 和Δt 过程为MOSFET 行为, 所以关断延迟时间td(off) 和Δt如下：

td(off)=RG(CGS+CGD)*ln[gfsVGH/(gfsVGS(th)+Ids(max)]

Δt =((VDM−Von)gfsRGCGD)/(Ids(max)+gfsVGS(th))

其中, RG为栅极驱动电阻, CGS和CGD为栅源和栅漏电容, gfs为栅源跨导, VGH为栅控电压, VGS(th)为阈值电压, Ids(max)为沟道电流的最大值, VDM为漏源电压最大值, Von为MOSFET导通压降。

由上面两个式子可知，IGBT关断td(off)和Δt时间由MOSFET固有参数决定. 所以对于确定的IGBT来说, td(off) 和Δt时间也是确定不变的，IGBT的关断时间toff的变化由电流下降时间tf决定。为了使IGBT从正向导通状态转入正向阻断状态, 必须首先通过外电路对栅电容放电, 使栅电压下降到MOSFET的开启电压Vth以下, 这时, 沟道反型层消失, 沟道电流IMOS迅速下降为零。

如下图：

沟道关断后，器件电流几乎在瞬时从I0下降到I1，这一过程称为阶段I；阶段I结束后，n−区的过剩载流子空穴将通过复合消失，这一过程称为阶段II。 因此，IGBT关断后，电流下降时间由两部分组成，阶段I电流ΔI下降时间和阶段II电流I1下降时间。阶段I过程在瞬间发生，时间非常短，而阶段II，n−区过剩载流子空穴复合过程较慢, 因此，会引起IGBT关断过程拖尾电流现象。所以IGBT的关断电流下降时间tf主要由阶段II电流下降时间决定。而阶段II电流下降时间即为n−区过剩载流子复合所需时间。

IGBT导通电流由基极电流IB(BJT)和集电极电流IC(BJT)两部分构成。即t<0时，电流表达式，如下式所示：

I=I0=IB+IC=IMOS+IC

当IGBT开始关断, 即t>0时，

I(t)=IC(t)+dQJ2(t)/dt

由上面两个式子可知，在t=0+时刻，

I(0+) =I0；dQJ2(0+)/dt=IMOS

当门极电压为零后, 沟道电流迅速下降为零。由于基区过剩载流子复合的原因，I(t)不能迅速下降为零，这时，I(t)=IC(BJT)(t)。依据电荷控制原理

IC(BJT)(t) =Qp(t)/τtp(t)

其中, Qp(t)为n−区待复合的空穴电荷, τtp(t)为基区空穴渡越时间。在大注入条件下：

τtp(t)=[WB−xd(t)]2/4KADp

其中, WB为基区宽度, xd(t)为耗尽层宽度, KA=Ac=Ae, Ac和Ae分别为pnp晶体管集电区和发射区面积，Dp为基区空穴扩散系数。

在t=0时刻, J2结耗尽层宽度xd≈0，由上式可以得到电流：

其中, Qp0为导通稳态时基区空穴电荷.。当关断开始后，沟道电流迅速消失，IMOS→0，得到I1表达式：

IC(BJT)=βIB(BJT) =βIMOS

其中, β为BJT电流放大系数，β=Ic/Ib。

可以推导出：

耗尽层宽度的最大值xdm为：

其中，VR为施加在耗尽层上的反偏电压的大小，εs为半导体介电常数，Vbi为热平衡状态下内建电势差，Na为受主杂质原子密度，Nd为施主杂质原子密度。上式表明，耗尽层宽度随施加反偏电压的增大而增大，由于VR 与VCE成正比，即随着VCE 的增大，J2结耗尽层宽度逐渐增大。ΔI 的大小与耗尽层宽度xdm 成反比, 所以, 随着VCE的增大, ΔI变小，若保持导通电流I0不变，则I1增大。进而，关断时间延长。因此，电流相同时，VCE越大，关断时间越长。

IGBT开始关断时，即t=0时刻，J2结耗尽层承受电压很小，所以xd≈0，由上节可知, ΔI=IMOS。进而，推导出ΔI与I0的比值K，如下式所示：

=1/(1+β)

IGBT的BJT部分电流增益系数G，如下式：

其中，J0为BJT集电极电流密度, AE为BJT发射极接触面积,WC为BJT集电区宽度。

电流增益α与电流增益系数G的关系是：α∝G

BJT电流放大系数β与电流增益α之间的关系如下式：

由上式可知，G与集电极电流密度J0成反比，即与Ic大小成反比；α随IC的增大而减小；BJT电流增益α减小，电流放大系数β随之减小。所以，随BJT集电极电流Ic的增大，β 减小；BJT集电极电流Ic增大，IGBT电流I0随之增大。因此，得出随IGBT电流I0增大，β逐渐减小。进而，K增大，所以相同电压下，电流增大，K随之增大。即ΔI占I0比例增大，拖尾电流占总电流I0的比例减小，进而关断时间缩短。

由于Ic与BJT集电极电流密度J0成正比，得

α ∝ 1/Ic

上式可以看出，当电流较小时，K相对于Ic的变化率较大，当电流较大时，变化率较小。所以，当Ic变化量相同时，K的变化量随Ic的增大而减小。因此，随着电流的增大，ΔI所占总电流比例的变化率dK=dIc逐渐减小。基于相同电压下，随电流增大，ΔI占总电流比例增大，关断时间减小的结论，得出电流较小时，关断时间减小速率较大，而电流较大时，关断时间减小速率较小。

结论：

IGBT关断时间随电压的增大，单调增大；随电流的增大而减小。电流较小时，关断时间很长，随着电流的增大，关断时间迅速缩短。当电流大于一定值时，关断时间恢复至使用手册的正常值附近，并随着电流的增大而缓慢减小。因此，在IGBT工作过程中，应根据实际装置工作电流范围，依据关断时间变化规律，合理设置死区时间。并且应尽量避免其工作在小电流工况，如若不能避免，则要尽量降低母线电压和采取限流措施，以免导致电力电子装置上下桥臂直通。