从电压电流对IGBT的关断过程进行分析
01
前言
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。
02
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。
03
电压对关断的影响
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t0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。
04
电流对关断的影响
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。
这边主要介绍了电流电压对igbt关断过程的影响，最近工作内容涉及到igbt单管的东西比较多，后面一段时间可能会分享比较多的关于igbt单管的东西，前面整流电路部分的内容会继续完善一些，接着就要到逆变了。
简析USB3.1 第二代接口的静电保护方案
出井伸之与冯军均将重磅出席2012年北京全球IPv6峰会
2016年互联网造车喜忧掺半 2017路将在何方？
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国轩高科与博世签订采购协议 将为博世提供锂离子电池等产品
从电压电流对IGBT的关断过程进行分析
物联网与互联网决定智慧城市
广电计量牵头《数字孪生模型评估规范》等3项团体标准研制
深入剖析“工业4.0”概念及其重要意义
变电容式三轴加速度传感器MSA300介绍
安徽移动联合华为公司共同构建了IPv6网络运营管理体系
哈佛大学发布可治疗的可穿戴设备
仿真软件ModelSim及其应用,ModelSim的仿真流程
什么是数字经济，数字经济的发展前景怎么样
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02
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。
03
电压对关断的影响
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t0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
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其中, β为bjt电流放大系数，β=ic/ib。
可以推导出
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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。
04
电流对关断的影响
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=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。
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