魏義濤
【摘 要】本文以IGBT的物理模型為研究對象,詳細(xì)分析IGBT關(guān)斷過程中門-射極電壓、門極電流及集電極-射極電壓、集電極電流的各種行為情況;并以英飛凌的IGBT參數(shù)為依據(jù),建立IGBT的仿真測試模型,分析門-射極電壓、門極電流及集電極-射極電壓、集電極電流的情況,與理論分析對比表明結(jié)果很好的吻合在一起,為進(jìn)一步的應(yīng)用IGBT提供參考。
【關(guān)鍵詞】IGBT原理;IGBT關(guān)斷特性分析 ;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結(jié)合了MOSFET管和雙極性晶體管的優(yōu)點,具有電壓型驅(qū)動、輸入阻抗高、飽和壓降低等一系列的優(yōu)點,在電力電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而IGBT內(nèi)部寄生電容的存在,導(dǎo)致IGBT的開斷呈現(xiàn)非線性的特點,因此研究IGBT的開斷特性有助于更好的應(yīng)用IGBT器件[1]。
1 IGBT的原理
其中,VJ1是結(jié)J1的正向偏置壓降,RD是漂移區(qū)電阻,Rch是MOS溝道的電阻。正是由于VJ1的存在,要使IGBT導(dǎo)通,必須要約0.7V的正向電壓。相比之下,在MOSFET的三層結(jié)構(gòu)中沒有這個結(jié),所以其導(dǎo)通的條件只是漏-源電壓大于零。IGBT所具有的這個額外的P+層有重要的意義,它能夠使得N-漂移區(qū)發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制,使得IGBT的RD比MOSFET的小得多。
圖1(b)中,還給出了一個寄生NPN晶體管,兩個晶體管的連接方式形成了一個寄生晶閘管。這個寄生晶閘管的存在使得IGBT可能發(fā)生閂鎖(有的文獻(xiàn)稱之為擎住效應(yīng)),即晶閘管的導(dǎo)通會導(dǎo)致IGBT門極失去控制作用并導(dǎo)致器件損壞。在新型IGBT的設(shè)計中,通過減小門-射短路電阻RS,如圖1(b)中所示,可顯著抑制閂鎖現(xiàn)象。因為要避免NPN晶體管工作,MOSFET和PNP晶體管的電流就不是均勻分配的,MOSFET承擔(dān)了四分之三的電流。其中,βPNP是寬基極PNP晶體管的電流放大倍數(shù),由于它遠(yuǎn)小于1,所以晶體管集電極電流分量ICP比MOSFET電流分量IMOS要小。通常工況下,PNP晶體管不會處于深飽和狀態(tài)。
圖1(b)中所示的三個電容是器件內(nèi)部的寄生電容,容值隨著器件工況而變化。圖2給出了這幾個寄生電容的物理描述[1],也給出了相應(yīng)的電路元件和電流路徑。門-集電容CGC是米勒電容,是由門極和N-漂移區(qū)之間的耗盡層形成的。在IGBT導(dǎo)通時,N-漂移區(qū)與門極氧化物毗鄰的部分處于電荷積累的條件,CGC的值較大;而當(dāng)VCE增大時,積累條件被削弱,CGC減小。CGE代表門極和溝道之間門極氧化物的門-射電容,它的值通常是恒定的,而且較大。集-射電容CCE是關(guān)斷時結(jié)J2處的耗盡層電容,它的大小實際上代表了通態(tài)時漂移區(qū)內(nèi)儲存的電荷的多少。
1.1 IGBT的關(guān)斷
1.1.1 關(guān)斷第一階段:門極電壓下降
關(guān)斷過程從VGG下降(從VG+到VG-)的時刻開始。門極電流IG從門極流向門極驅(qū)動電路,門極電容(CGC+CGE)放電,門極電壓VGE按指數(shù)規(guī)律下降,達(dá)到平臺電壓VM,如下式所示[1-2]:
1.1.2 關(guān)斷第二階段:電壓上升
第二階段始于t7時刻,此時VGE到達(dá)穩(wěn)定的平臺值,該值的大小依賴于集電極電流。理想條下,它與開通時門極電壓平臺的值相同。門極電流IG僅流經(jīng)米勒電容CGC,對其持續(xù)放電,導(dǎo)致集電極電壓VCE逐步上升。如圖3所示,VCE的上升分為兩個明顯的部分——開始的低速率部分和隨后的穩(wěn)定高速率部分。
強烈的米勒效應(yīng)就發(fā)生在這個階段。米勒電容的特性曲線有明顯的拐點,其值在低集電極電壓的時候較高,在高集電極電壓的時候較低。因此,在VCE最初上升的時候,由于CGC的值較大,dVCE/dt較低。當(dāng)VCE增長到超過某個特定值時(與器件額定電壓有一點關(guān)系,例如對于1700V/400A的IGBT來說,該值約為20V),CGC開始驟減至小得多的值,導(dǎo)致dVCE/dt快速增加,VCE達(dá)到VDC。
第二階段極為重要,因為只有在這個階段門極驅(qū)動電路才能夠?qū)崿F(xiàn)對IGBT關(guān)斷電壓的控制。降低門極電壓可以使MOS溝道變窄,限制進(jìn)入漂移區(qū)的電子。通過減少發(fā)射極提供的電子并維持恒定的集電極電流,就能夠消除門極下方積累層和N-漂移區(qū)中存儲的電荷。米勒電容是門極和N-漂移區(qū)之間耗盡層電容Cdep與氧化物電容Cox的串聯(lián)。起初,積累層放電,耗盡層尚未延伸至這個區(qū)域,所以Cdep的值較大,CGC的值主要由Cox決定。在t8時刻附近,當(dāng)積累層消失的時候,結(jié)J2附近的耗盡層擴展,器件電壓迅速升高。于是,Cdep的值大幅度下降,從而CGC的值也大幅度下降。由于通態(tài)時器件中存儲了大量電荷,耗盡層和電壓增長的初始過程是很慢的,但當(dāng)米勒電容和存儲電荷減少時,這個過程迅速加快。于是,第二階段中電壓上升主要受兩方面控制:一是通態(tài)時IGBT中存儲電荷的多少,一是門極驅(qū)動電路限制MOS溝道的效率。說到底,還是MOS溝道的衰減速度決定了消除存儲電荷的速率,從而決定了耗盡層擴展和器件電壓上升的速度。
1.1.3 關(guān)斷第三階段:電流下降
一旦IGBT集電極電壓達(dá)到直流側(cè)電壓VDC(時刻t9),續(xù)流二極管開始導(dǎo)通,標(biāo)志著第三階段的開始。之前,二極管是反偏截止的。t9時刻之后,負(fù)載電流全部從IGBT轉(zhuǎn)到二極管,IGBT集電極電流IC下降,下降速率主要由IGBT和二極管內(nèi)部寄生電容決定。dIC/dt在雜散電感LS兩端感生電勢,并與二極管正向峰值電壓VFM一起,形成了VCE高于VDC的電壓尖峰。
同時,門極電壓VGE從平臺處開始下降。當(dāng)降至閾值VGE(th)以下時,MOS溝道消失,MOS電流IMOS=0。P+阱中的剩余電流為純空穴電流,它通過拓寬耗盡層來抽取N-漂移區(qū)中的過??昭ǎ钡絀C快速下降至很小的值。
1.1.4 關(guān)斷第四階段:拖尾電流
第四階段的一個重要特征是,集電極電流緩慢衰減,即拖尾電流。這個過程不是通過拓寬耗盡層來抽取電荷,而是通過復(fù)合作用來消除存儲電荷。這個拖尾電流與器件的制造工藝有很大的關(guān)系,而且無法通過門極控制來削弱其影響。拖尾電流IGBT和MOSFET的另一個重要區(qū)別。
2 IGBT的模型仿真
其中,VDC是直流側(cè)電源,LL和RL是負(fù)載和電阻,DL1和DL2是為負(fù)載電感續(xù)流的二極管,LsLoop和LsDL分別是直流回路和續(xù)流回路的雜散電感,Vg1用于模擬驅(qū)動脈沖,DT1是其反并聯(lián)二極管, Lg1是門極引線電感。T1是IGBT。T1、 DT1的模型均是基于德國Infineon公司制造的FF800R17KF6C_B2建立的。
利用上述的仿真模型,10μs時驅(qū)動脈沖從15V階躍至-15V。在不采用任何均壓控制措施的條件下,T1的開關(guān)過程如圖5-圖6所示。圖5是集電極電壓和電流波形,圖6是門極的電壓、電流波形。關(guān)斷電流約為520A,由于存在回路雜散電感,T1在關(guān)斷時都出現(xiàn)了電壓突波,峰值約為1250V。
3 結(jié)語
本文對IGBT的關(guān)斷機理進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并建立了IGBT仿真試驗?zāi)P停玫搅薎GBT的VGE、IC、IGE和VGE的波形圖,與理論分析很好的吻合,為進(jìn)一步的IGBT的研究提供理論依據(jù)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]趙芬.IGBT 模型仿真研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010.
[2]P.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 Electronic[J].vol. 18, no. 5, pp. 1220-1229, September 2003.
[3]X.Kang, A.caiafa, E.Santi, J.L.Hudgins, etc..Characterization and Modeling of High-Voltage Field-Stop IGBTs. IEEE Transactions on Industry Applications[J]. vol 39, no.4 , pp. 922-928, july 2003.
[4]P.Palmer, A.Bryant, J.Hudgins,and E.Santi. Simulation and optimization of diode and IGBT Interaction in a chopper cell using MATLAB and Simulink[J]. in IAS Conf. Rec., Pittsburgh, October 2002.
[責(zé)任編輯:曹明明]