IGBT關(guān)斷過(guò)程分析

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為電力電子領(lǐng)域中至關(guān)重要的元件，其關(guān)斷過(guò)程的分析對(duì)于理解其性能和應(yīng)用至關(guān)重要。IGBT結(jié)合了雙極型晶體管（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的優(yōu)勢(shì)，具有導(dǎo)通特性好、開(kāi)關(guān)速度快等特點(diǎn)。下面，我們將從IGBT的關(guān)斷波形、關(guān)斷時(shí)間的影響因素、以及關(guān)斷過(guò)程中的具體階段等方面，對(duì)其關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。

一、IGBT關(guān)斷波形及時(shí)間表達(dá)式

IGBT的關(guān)斷波形大致可以分為三個(gè)階段：

1. 關(guān)斷延遲時(shí)間? td(off)?：從柵極電壓開(kāi)始下降到溝道電流開(kāi)始顯著減小的時(shí)間段。
2. 電壓上升與電流下降時(shí)間 Δt：在關(guān)斷過(guò)程中，電壓上升到10%而電流下降到90%的時(shí)間段。
3. 關(guān)斷下降時(shí)間 tf：從電流下降到90%到電流幾乎為零的時(shí)間段。

IGBT的關(guān)斷時(shí)間 toff? 可以表達(dá)為：

二、關(guān)斷過(guò)程的具體階段

1. 關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off)?

在關(guān)斷初期，柵極電壓 Vgs? 開(kāi)始下降，MOSFET的門極電壓逐漸減小至Miller平臺(tái)電壓 Vmr?。此時(shí)，漏源電壓 Vds? 增大至最大值Vds(max)?，而漏源電流 Ids? 保持不變。由于 Ib?=Ids?，BJT的集射極電流 Ice?也保持不變。此階段為MOSFET行為主導(dǎo)，因此關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off)? 主要由MOSFET的固有參數(shù)決定，如柵極驅(qū)動(dòng)電阻 RG?、柵源電容CGS?、柵漏電容 CGD?、柵源跨導(dǎo) gfs? 等。

關(guān)斷延遲時(shí)間的計(jì)算公式為：

2. 電壓上升與電流下降時(shí)間 Δt

當(dāng)柵極電壓繼續(xù)下降，MOSFET進(jìn)入Miller平臺(tái)區(qū)，此時(shí)漏源電壓 Vds? 迅速上升，而漏源電流 Ids? 仍然保持不變。由于BJT的集射極電流Ice? 受 Ib? 控制，因此在該階段 Ice? 也保持不變。Δt 時(shí)間的計(jì)算公式為：

3. 關(guān)斷下降時(shí)間 tf

當(dāng)柵極電壓降至閾值電壓以下時(shí)，MOSFET的溝道反型層消失，溝道電流 IMOS? 迅速下降為零。此時(shí)，IGBT的電流主要由BJT部分承載，即I(t)=IC(BJT)?(t)。隨著n?區(qū)過(guò)剩載流子空穴的復(fù)合，電流逐漸下降至零，此過(guò)程稱為階段II，是關(guān)斷電流下降時(shí)間 tf? 的主要組成部分。

三、關(guān)斷時(shí)間的影響因素

1. 電壓對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響

隨著集電極-發(fā)射極電壓 VCE? 的增大，J2結(jié)耗盡層寬度逐漸增大，導(dǎo)致 ΔI 變小(ΔI 為階段I中電流的變化量)。若保持導(dǎo)通電流 I0? 不變，則I1?(階段II開(kāi)始時(shí)的電流)增大，進(jìn)而關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)。因此，在相同電流下，VCE? 越大，關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)。

2. 電流對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響

隨著IGBT電流的增大，BJT的電流放大系數(shù) β 逐漸減小，導(dǎo)致 ΔI 占 I0? 的比例增大，而拖尾電流占總電流 I0?的比例減小，進(jìn)而關(guān)斷時(shí)間縮短。特別地，當(dāng)電流較小時(shí)，關(guān)斷時(shí)間很長(zhǎng)，且隨電流的增大迅速縮短;當(dāng)電流大于一定值時(shí)，關(guān)斷時(shí)間恢復(fù)至正常值附近，并隨電流的增大緩慢減小。

四、關(guān)斷過(guò)程中的物理機(jī)制

在IGBT的關(guān)斷過(guò)程中，物理機(jī)制主要涉及載流子的復(fù)合與耗盡層的變化，這些變化直接影響了電流和電壓的動(dòng)態(tài)行為。

1. 載流子復(fù)合

在IGBT關(guān)斷階段，特別是在關(guān)斷下降時(shí)間tf期間，n型基區(qū)（n-base）中的過(guò)剩載流子（主要是空穴）開(kāi)始復(fù)合。這些空穴在IGBT導(dǎo)通期間由p+集電極注入，并在n型基區(qū)中積累，以維持BJT部分的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)柵極電壓降至閾值以下，MOSFET溝道關(guān)閉，無(wú)法再為BJT提供基極電流，此時(shí)n型基區(qū)中的空穴開(kāi)始通過(guò)復(fù)合過(guò)程消失。復(fù)合過(guò)程主要包括直接復(fù)合和通過(guò)復(fù)合中心的間接復(fù)合，這些過(guò)程的速度決定了電流下降的速度。

2. 耗盡層擴(kuò)展

隨著集電極-發(fā)射極電壓VCE的上升，J1（發(fā)射極-基極）和J2（集電極-基極）結(jié)的耗盡層開(kāi)始擴(kuò)展。耗盡層的擴(kuò)展增加了電阻，限制了電流的流動(dòng)。特別是在J2結(jié)，耗盡層的擴(kuò)展減少了n型基區(qū)向集電極的電荷注入，進(jìn)一步加速了電流的下降。此外，耗盡層的擴(kuò)展還改變了電場(chǎng)分布，影響了載流子的遷移率和擴(kuò)散過(guò)程。

3. 拖尾電流

在關(guān)斷過(guò)程的后期，會(huì)出現(xiàn)一段拖尾電流。這是因?yàn)樵趎型基區(qū)中，部分空穴由于距離復(fù)合中心較遠(yuǎn)或復(fù)合速率較低，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完全復(fù)合。這些剩余的空穴繼續(xù)向集電極擴(kuò)散，形成拖尾電流。拖尾電流的存在增加了關(guān)斷時(shí)間，并可能產(chǎn)生額外的熱量和電壓應(yīng)力。為了減少拖尾電流，可以采取一些措施，如優(yōu)化n型基區(qū)的摻雜濃度和厚度，引入復(fù)合中心等。

4. 溫度效應(yīng)

溫度對(duì)IGBT的關(guān)斷過(guò)程也有顯著影響。隨著溫度的升高，載流子的遷移率和擴(kuò)散系數(shù)增加，復(fù)合速率也加快。這通常會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間縮短，但也可能導(dǎo)致電流和電壓的波動(dòng)增加。此外，高溫還可能降低IGBT的擊穿電壓和長(zhǎng)期可靠性。因此，在設(shè)計(jì)IGBT系統(tǒng)和控制策略時(shí)，必須考慮溫度的影響。

五、優(yōu)化IGBT關(guān)斷性能的策略

1. 優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)電路 ：減小柵極電阻RG，使用快速響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片，可以縮短關(guān)斷延遲時(shí)間和電壓上升時(shí)間。
2. 改進(jìn)器件結(jié)構(gòu) ：通過(guò)優(yōu)化n型基區(qū)的摻雜濃度和厚度，引入復(fù)合中心等措施，可以減少拖尾電流，縮短關(guān)斷時(shí)間。
3. 溫度管理 ：采用有效的散熱措施，如增加散熱片、使用熱管等，可以降低IGBT的工作溫度，提高關(guān)斷性能和長(zhǎng)期可靠性。
4. 軟關(guān)斷技術(shù) ：通過(guò)控制柵極電壓的下降速率，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。軟關(guān)斷可以減少關(guān)斷過(guò)程中的電壓和電流過(guò)沖，降低電磁干擾和應(yīng)力。
5. 智能控制策略 ：結(jié)合系統(tǒng)的工作狀態(tài)和負(fù)載特性，采用智能控制策略來(lái)優(yōu)化IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程。例如，在輕載或空載情況下降低開(kāi)關(guān)頻率，以減少開(kāi)關(guān)損耗和熱量產(chǎn)生。

綜上所述，IGBT的關(guān)斷過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，涉及載流子的復(fù)合、耗盡層的擴(kuò)展、拖尾電流的產(chǎn)生以及溫度效應(yīng)等多個(gè)方面。通過(guò)深入理解這些機(jī)制和影響因素，并采取有效的優(yōu)化策略，可以顯著提高IGBT的關(guān)斷性能和系統(tǒng)的整體性能。