IGBT关断特性分析.doc

IGBT关断特性分析 【摘 要】本文以IGBT的物理模型为研究对象，详细分析IGBT关断过程中门-射极电压、门极电流及集电极-射极电压、集电极电流的各种行为情况；并以英飞凌的IGBT参数为依据，建立IGBT的仿真测试模型，分析门-射极电压、门极电流及集电极-射极电压、集电极电流的情况，与理论分析对比表明结果很好的吻合在一起，为进一步的应用IGBT提供参考。 【关键词】IGBT原理；IGBT关断特性分析 ；IGBT模型 【Abstract】Based on physics model of IGBT， the paper studied IGBTs turn-off behavior of gate- emitter voltage ， gated current and collector- emitter voltage ， collector current . and established Simulink model of IGBT on infineon production ， analysised behavior of gate- emitter voltage gated current and collector- emitter voltage ， collector current ， the same as the theory . produced theoretical reference for future. 【Key words】IGBT theory； IGBT turn-off behavior；IGBTs model 0 前言 IGBT结合了MOSFET管和双极性晶体管的优点，具有电压型驱动、输入阻抗高、饱和压降低等一系列的优点，在电力电子领域具有广泛的应用。然而IGBT内部寄生电容的存在，导致IGBT的开断呈现非线性的特点，因此研究IGBT的开断特性有助于更好的应用IGBT器件1。 1 IGBT的原理 其中，VJ1是结J1的正向偏置压降，RD是漂移区电阻，Rch是MOS沟道的电阻。正是由于VJ1的存在，要使IGBT导通，必须要约0.7V的正向电压。相比之下，在MOSFET的三层结构中没有这个结，所以其导通的条件只是漏-源电压大于零。IGBT所具有的这个额外的P+层有重要的意义，它能够使得N-漂移区发生电导调制，使得IGBT的RD比MOSFET的小得多。 图1（b）中，还给出了一个寄生NPN晶体管，两个晶体管的连接方式形成了一个寄生晶闸管。这个寄生晶闸管的存在使得IGBT可能发生闩锁（有的文献称之为擎住效应），即晶闸管的导通会导致IGBT门极失去控制作用并导致器件损坏。在新型IGBT的设计中，通过减小门-射短路电阻RS，如图1（b）中所示，可显著抑制闩锁现象。因为要避免NPN晶体管工作，MOSFET和PNP晶体管的电流就不是均匀分配的，MOSFET承担了四分之三的电流。其中，PNP是宽基极PNP晶体管的电流放大倍数，由于它远小于1，所以晶体管集电极电流分量ICP比MOSFET电流分量IMOS要小。通常工况下，PNP晶体管不会处于深饱和状态。 图1（b）中所示的三个电容是器件内部的寄生电容，容值随着器件工况而变化。图2给出了这几个寄生电容的物理描述1，也给出了相应的电路元件和电流路径。门-集电容CGC是米勒电容，是由门极和N-漂移区之间的耗尽层形成的。在IGBT导通时，N-漂移区与门极氧化物毗邻的部分处于电荷积累的条件，CGC的值较大；而当VCE增大时，积累条件被削弱，CGC减小。CGE代表门极和沟道之间门极氧化物的门-射电容，它的值通常是恒定的，而且较大。集-射电容CCE是关断时结J2处的耗尽层电容，它的大小实际上代表了通态时漂移区内储存的电荷的多少。 1.1 IGBT的关断 1.1.1 关断第一阶段：门极电压下降 关断过程从VGG下降（从VG+到VG-）的时刻开始。门极电流IG从门极流向门极驱动电路，门极电容（CGC+CGE）放电，门极电压VGE按指数规律下降，达到平台电压VM，如下式所示1-2： 1.1.2 关断第二阶段：电压上升 第二阶段始于t7时刻，此时VGE到达稳定的平台值，该值的大小依赖于集电极电流。理想条下，它与开通时门极电压平台的值相同。门极电流IG仅流经米勒电容CGC，对其持续放电，导致集电极电压VCE逐步上升。如图3所示，VCE的上升分为两个明显的部分开始的低速率部分和随后的稳定高速率部分。 强烈的米勒效应就发生在这个阶段。米勒电容的特性曲线有明显的拐点，其值在低集电极电压的时候较高，在高集电极电压的时候较低。因此，在VCE最初上升的时候，由于CGC的值较大，dVCE/dt较低。当VCE增长到超过某个特定值时（与器件额定电压有一点关系，例如对于1700V/400A的IGBT来说，该值约为20V），CGC开始骤减至小得多的值，导致dVCE/dt快速增加，VCE达到VDC。 第二阶段极为重要，因为只有在这个阶段门极驱动电路才能够实现对IGBT关断电压的控制。降低门极电压可以使MOS沟道变窄，限制进入漂移区的电子。通过减少发射极提供的电子并维持恒定的集电极电流，就能够消除门极下方积累层和N-漂移区中存储的电荷。米勒电容是门极和N-漂移区之间耗尽层电容Cdep与氧化物电容Cox的串联。起初，积累层放电，耗尽层尚未延伸至这个区域，所以Cdep的值较大，CGC的值主要由Cox决定。在t8时刻附近，当积累层消失的时候，结J2附近的耗尽层扩展，器件电压迅速升高。于是，Cdep的值大幅度下降，从而CGC的值也大幅度下降。由于通态时器件中存储了大量电荷，耗尽层和电压增长的初始过程是很慢的，但当米勒电容和存储电荷减少时，这个过程迅速加快。于是，第二阶段中电压上升主要受两方面控制：一是通态时IGBT中存储电荷的多少，一是门极驱动电路限制MOS沟道的效率。说到底，还是MOS沟道的衰减速度决定了消除存储电荷的速率，从而决定了耗尽层扩展和器件电压上升的速度。 1.1.3 关断第三阶段：电流下降 一旦IGBT集电极电压达到直流侧电压VDC（时刻t9），续流二极管开始导通，标志着第三阶段的开始。之前，二极管是反偏截止的。t9时刻之后，负载电流全部从IGBT转到二极管，IGBT集电极电流IC下降，下降速率主要由IGBT和二极管内部寄生电容决定。dIC/dt在杂散电感LS两端感生电势，并与二极管正向峰值电压VFM一起，形成了VCE高于VDC的电压尖峰。 同时，门极电压VGE从平台处开始下降。当降至阈值VGE（th）以下时，MOS沟道消失，MOS电流IMOS=0。P+阱中的剩余电流为纯空穴电流，它通过拓宽耗尽层来抽取N-漂移区中的过剩空穴，直到IC快速下降至很小的值。 1.1.4 关断第四阶段：拖尾电流 第四阶段的一个重要特征是，集电极电流缓慢衰减，即拖尾电流。这个过程不是通过拓宽耗尽层来抽取电荷，而是通过复合作用来消除存储电荷。这个拖尾电流与器件的制造工艺有很大的关系，而且无法通过门极控制来削弱其影响。拖尾电流IGBT和MOSFET的另一个重要区别。 2 IGBT的模型仿真 其中，VDC是直流侧电源，LL和RL是负载和电阻，DL1和DL2是为负载电感续流的二极管，LsLoop和LsDL分别是直流回路和续流回路的杂散电感，Vg1用于模拟驱动脉冲，DT1是其反并联二极管， Lg1是门极引线电感。T1是IGBT。T1、 DT1的模型均是基于德国Infineon公司制造的FF800R17KF6C_B2建立的。 利用上述的仿真模型，10s时驱动脉冲从15V阶跃至-15V。在不采用任何均压控制措施的条件下，T1的开关过程如图5-图6所示。图5是集电极电压和电流波形，图6是门极的电压、电流波形。关断电流约为520A，由于存在回路杂散电感，T1在关断时都出现了电压突波，峰值约为1250V。 3 结语 本文对IGBT的关断机理进行了详细的分析，并建立了IGBT仿真试验模型，得到了IGBT的VGE、IC、IGE和VGE的波形图，与理论分析很好的吻合，为进一步的IGBT的研究提供理论依据。 【参考文献】 1赵芬.IGBT 模型仿真研究D.合肥工业大学，2010. 2P.R.Palmer， E.Santi， J.L.Hudgins， X.Kang etc.Circuit Simulator Models for the Diode and IGBT with Full Temperture Dependent Features. IEEE Transactions on Power ElectronicJ.vol. 18， no. 5， pp. 1220-1229， September 2003. 3X.Kang， A.caiafa， E.Santi， J.L.Hudgins， etc.Characterization and Modeling of High-Voltage Field-Stop IGBTs. IEEE Transactions on Industry ApplicationsJ. vol 39， no.4 ， pp. 922-928， july 2003. 4