IGBT作為具有開關(guān)速度快，導(dǎo)通損耗低的電壓控制型開關(guān)器件被廣泛應(yīng)用于高壓大容量變頻器和直流輸電等領(lǐng)域。現(xiàn)在IGBT的使用比較關(guān)注的是較低的導(dǎo)通壓降以及低的開關(guān)損耗。作為開關(guān)器件，研究它的開通和關(guān)斷過程當(dāng)然是必不可少的，今天我們就來說說IGBT的開通過程。

01

前言

一開始我們簡(jiǎn)單介紹過IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，不同的行業(yè)對(duì)使用IGBT時(shí)，對(duì)于其深入的程度可能不一樣，但是作為一個(gè)開關(guān)器件，開通和關(guān)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(shù)的應(yīng)用， IGBT關(guān)斷損耗得到了明顯改善; 此外，大功率IGBT 器件內(nèi)部續(xù)流二極管的反向恢復(fù)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(guān)波形，對(duì)器件華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)2017 的開通損耗、可能承受的電氣應(yīng)力、電磁干擾噪聲等進(jìn)行評(píng)估，為驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行優(yōu)化提供指導(dǎo)，從而改善IGBT 的開通特性。由于實(shí)際運(yùn)用中，我們遇到的大多負(fù)載都屬于感性負(fù)載，所以今天我們就基于感性負(fù)載的情況下聊聊IGBT的開通過程，從IGBT 阻斷狀態(tài)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(guān)系，揭示了柵極電壓密勒平臺(tái)形成的機(jī)理，分析了驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)柵極電壓波形的影響。研究了IGBT 集電極電流的上升特點(diǎn); 分析了IGBT 集射極電壓的下降特點(diǎn)，揭示了回路雜散電感對(duì)集射極電壓的影響規(guī)律。

02

IGBT的基本結(jié)構(gòu)

前面我們也簡(jiǎn)單的講過了IGBT的基本結(jié)構(gòu)，IGBT是由雙極型功率晶體管(高耐壓、大容量)和MOSFET(高開關(guān)速度)構(gòu)成，所以IGBT具有了兩種器件的特性，高耐壓、大電流、高開關(guān)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(qū)和源區(qū)為重?fù)诫s，N-表示基區(qū)摻雜濃度較低。IGBT和MOSFET一樣，在門極上外加正向電壓即可導(dǎo)通，但由于通過在漏極上追加了P+層，使得在導(dǎo)通狀態(tài)下，P+層向N基極注入空穴，從而引發(fā)了傳導(dǎo)性能的轉(zhuǎn)變，因此，IGBT和MOSFET相比，可以得到極低的通態(tài)電阻，也就是IGBT擁有較低的通態(tài)壓降。

由圖1(a)可知，單個(gè)IGBT元胞內(nèi)包括一個(gè)MOSFET，一個(gè)PNP 晶體管和一個(gè)NPN 晶體管。PNP晶體管集電極(P基區(qū))與NPN 晶體管發(fā)射極(N+源區(qū))之間的電壓降用等效電阻Rs表示，當(dāng)Rs足夠小時(shí)，NPN晶體管的影響可以忽略不計(jì)(后面我們講到IGBT擎住效應(yīng)的時(shí)候，這個(gè)寄生的NPN晶體管就會(huì)有所涉及，當(dāng)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[!--empirenews.page--]

下面是比較詳細(xì)的電容分布：

對(duì)于IGBT 器件，柵極電容包括四個(gè)方面電容，如上圖所示：

(1)柵極—發(fā)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(qū)電容Cgp，Cgp由C3，C5構(gòu)成;

(4)柵極—集電極電容Cgc，Cgc由C4，C6構(gòu)成。其中，柵極—發(fā)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(shì)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(jìn)一步增加，其大小又逐漸增加，并達(dá)到穩(wěn)定值。

開通延時(shí)過程中驅(qū)動(dòng)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(guān)斷狀態(tài)，柵極電壓的變化量相對(duì)于IGBT的阻斷電壓可以忽略不計(jì)。因此，柵極電壓的上升過程對(duì)于柵極—集電極電容( Cgc) 及其電荷量的影響可以忽略不計(jì)，因此開通延時(shí)階段的充電過程只針對(duì)電容C1、C2和Cgp。因此，結(jié)合驅(qū)動(dòng)回路的等效電路，可以得到上述充電過程中驅(qū)動(dòng)回路的等效電路如下圖所示：

其中Vg為柵極驅(qū)動(dòng)板輸出電壓，Rg為驅(qū)動(dòng)電阻，Cin為驅(qū)動(dòng)板輸出端口電容，Rs和Ls分別為驅(qū)動(dòng)回路寄生電阻和寄生電感。柵極電壓開始上升一段時(shí)間后達(dá)到閾值電壓，集電極電流開始上升，這個(gè)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(dá)閾值電壓之前，輸入電容并不是恒定值，而是有一個(gè)由大逐漸變小，再逐步增大的過程。因此，在IGBT 開通過程中，驅(qū)動(dòng)回路并不是給恒定電容充電。下圖是開通過程?hào)艠O電壓上升趨勢(shì)：