IGBT的工作原理和退飽和 IGBT的電感短路和直通短路

1、IGBT的工作原理和退飽和

1.1 IGBT 和 MOSFET結(jié)構(gòu)比較

為了理解IGBT進(jìn)入退飽和的過程機(jī)理，我們有必要簡單比較下MOSFET和IGBT結(jié)構(gòu)上的區(qū)別：簡單來看，IGBT在MOSFET的基本結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)P+層提供空穴載流子，這樣可以和漏極N+區(qū)域的電子在基區(qū)N-進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，從而降低IGBT在大電流條件下的導(dǎo)通壓降。 IGBT通過其FET結(jié)構(gòu)控制在基區(qū)的載流子（電子和空穴），從而控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。

圖1-1 MOSFET結(jié)構(gòu)圖

圖1-2 IGBT 結(jié)構(gòu)圖

1.2 IGBT 和 MOSFET 在對(duì)飽和區(qū)的定義差別

這里有一個(gè)概念需要稍稍澄清下，MOSFET和IGBT關(guān)于“飽和區(qū)”的定義有一定的差異，其實(shí)也可以認(rèn)為是單載流子器件和雙載流子器件的差異。

如圖1-3， MOSFET的區(qū)域定義：①正向阻斷區(qū)（也稱為截止區(qū)，夾斷區(qū)）； ②恒流區(qū)（也稱飽和區(qū)、有源區(qū)、線性放大區(qū)）； ③歐姆區(qū)（也稱為可變電阻區(qū)、非飽和區(qū)）； ④雪崩擊穿區(qū)； ⑤反向?qū)▍^(qū)

如圖1-4， IGBT的區(qū)域定義：①正向阻斷區(qū)（截止區(qū)）； ②有源區(qū)（線性放大區(qū)）； ③飽和區(qū)； ④雪崩擊穿區(qū)； ⑤反向阻斷區(qū)

對(duì)于飽和區(qū)的定義，兩種器件的有一定的差異，主要是由于兩種器件的載流子類型和導(dǎo)電方式的不同。 MOSFET作為單載流子器件，參與導(dǎo)電的為電子； IGBT電子和空穴都參與了導(dǎo)電，分為電子電流和空穴電流。

MOSFET 在區(qū)域③，電流溝道完全導(dǎo)通，電流受外圍電路控制，未能到達(dá)飽和狀態(tài)； 隨著電流的增加，VDS電壓也增加，VDS>VGE-VGE(th)，溝道被“預(yù)夾斷”，MOSFET進(jìn)入?yún)^(qū)域②，源極N+無法提供更多的電子，IDS電流電流達(dá)到飽和狀態(tài)。

IGBT 飽和區(qū)的定義和BJT類似，在區(qū)域③，ICE電流不受門級(jí)信號(hào)的控制（類似于BJT集電極電流不受基極電流控制），由外圍電路阻抗決定； 隨著電流的增加，進(jìn)入?yún)^(qū)域②以后，IGBT的門級(jí)能夠控制去N-區(qū)域復(fù)合的電子，從而控制ICE電流，稱為線性區(qū)。

從特性曲線上看，在一定的門級(jí)電壓條件下，ICE電流上升到一定大小，出現(xiàn)了明顯的“拐點(diǎn)”，該拐點(diǎn)即是IGBT的退飽和點(diǎn)； 在拐點(diǎn)左側(cè)IGBT進(jìn)入“飽和區(qū)”，在拐點(diǎn)右側(cè)IGBT進(jìn)入“線性區(qū)”，IGBT由飽和區(qū)進(jìn)入線性區(qū)，我們稱為“退飽和”。

圖1-3 MOSFET 特性曲線

圖1-4 IGBT 特性曲線

1.3 IGBT 退飽和過程和保護(hù)

退飽和的半導(dǎo)體機(jī)理可以簡單等效為MOSFET部分的門級(jí)的“預(yù)夾斷”。 如圖1-5所示，隨著電流的增加，MOSFET的導(dǎo)電溝道關(guān)閉，導(dǎo)電通道阻抗迅速增加，IGBT進(jìn)入退飽和，VCE電壓迅速增加。

這里需要注意的是，“預(yù)夾斷”并不等同于溝道關(guān)閉。 在預(yù)夾斷之前，溝道內(nèi)的載流子不受門級(jí)的控制，外圍電路對(duì)集電極電流ICE起到控制作用。 當(dāng)門極電壓Vge≥Vge(th)，且Vce>Vge-Vge(th)時(shí)，進(jìn)入退飽和區(qū)域以后，此時(shí)流入到N-基區(qū)的電子電流In受到門極電壓的控制，進(jìn)而限制了IGBT內(nèi)部PNP晶體管的基極電流，最終空穴電流Ip也受到限制，因此該區(qū)域的IGBT集電極電流Ic會(huì)進(jìn)入“線性區(qū)”。

進(jìn)入“線性區(qū)”后，IGBT的Vce電壓迅速上升，利用該特性，可以設(shè)計(jì)退飽和檢測(cè)電路。 如圖1-6所示，當(dāng)VCE電壓迅速升高二極管Ddesat截止，DESAT電壓被充電到閾值電壓，從而觸發(fā)驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)IGBT進(jìn)行關(guān)斷。

圖 1-5 IGBT等效電路

圖 1-6 DESAT檢測(cè)電路

2、電感短路和直通短路

2.1 短路類型

在實(shí)際應(yīng)用過程中，IGBT的負(fù)載往往是感性負(fù)載。 隨著短路電感大小的不同，IGBT的短路波形也會(huì)存在明顯的區(qū)別。 如果短路回路中電感很小，那么母線電壓VDC直接加到IGBT兩端，我們稱為“一類短路”。 如圖2-1，IGBT不存在一個(gè)導(dǎo)通過程，直接進(jìn)入退飽和狀態(tài)。

如果短路回路中存在一定感值的電感，那么母線電壓壓降會(huì)落在電感兩端，電流呈現(xiàn)一定斜率的線性規(guī)律增加，到達(dá)一定的值后IGBT進(jìn)入退飽和，這時(shí)候才會(huì)將電感上的電壓“搶”到IGBT兩端。 如圖2-2，可以說電感上的電壓比較“軟”，很容易就被IGBT搶過來。

圖2-1 IGBT的一類短路波形

圖2-2 IGBT的二類短路波形

2.2 橋臂直通短路

一般我們?cè)趯?shí)施一類短路測(cè)試的時(shí)候，通常會(huì)在對(duì)管（陪測(cè)管）并聯(lián)“粗短銅排”。 一方面，短路掉對(duì)管，排除對(duì)管開關(guān)動(dòng)作對(duì)被測(cè)管的影響，更能準(zhǔn)確的評(píng)估測(cè)試管的特性； 另外一方面，可以利用對(duì)管的二極管進(jìn)行續(xù)流，防止測(cè)試過程中反壓導(dǎo)致測(cè)試管的擊穿。

在實(shí)際應(yīng)用中，橋臂直通短路通常是在兩個(gè)管子都開啟了DESAT保護(hù)功能進(jìn)行的。 橋臂直通（忽略回路電感），上下管的IGBT具有相同的電流，如果上下管IGBT特性一致，兩個(gè)管子應(yīng)該將各自承受一半的母線電壓。

對(duì)于模塊封裝形式的IGBT，由于內(nèi)部Layout的關(guān)系，很難做到上下管的對(duì)稱封裝結(jié)構(gòu)。 以HPDriver 為例（圖2-3），紅色為上管電流路徑，綠色為下管電流路徑。 由于存在三個(gè)IGBT Chip并聯(lián)，下管電流的等效電阻要大于上管電流的等效電阻。 因此在上下管晶圓上存在分壓不均的問題，下管的分壓要大于上管。 如果在相同的DESAT電路參數(shù)條件下，下管始終優(yōu)先觸發(fā)保護(hù)。

如圖2-4，下橋IGBT保持開啟，斷開驅(qū)動(dòng)互鎖信號(hào)，上橋?qū)嵤┒搪贰?VCE電壓在短路器件始終未能抬升，這部分電壓被下管IGBT“搶走”了，并且很快下管進(jìn)入DESAT保護(hù)，限制短路電流的進(jìn)一步增加（即使這時(shí)候還沒有到上管觸發(fā)DESAT保護(hù)），而上管的DESAT觸發(fā)信號(hào)就比下管慢了很多。

從這個(gè)角度看，雙保險(xiǎn)的DESAT保護(hù)能夠快速對(duì)短路進(jìn)行響應(yīng)，對(duì)橋臂直通短路的保護(hù)是有利的。

圖 2-3 HPD IGBT內(nèi)部

圖2-4 上橋直通短路波形