晶體管IGBT基礎(chǔ)知識(shí)闡述：
IGBT晶體管基礎(chǔ)知識(shí)在技術(shù)講解之前的?；卮鹣铝械闹匾獑?wèn)題，將有助于為特定的應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)腎GBT。 非穿通（NPT）和穿通（PT）器件之間的差異，以及術(shù)語(yǔ)和圖表將稍后解釋。
1. 什么是工作電壓？ IGBT的關(guān)斷電壓最高應(yīng)不超過(guò)VCES的80%。
2. 這是硬或軟開(kāi)關(guān)？PT器件更適合于軟開(kāi)關(guān)，因其可以減少尾電流，但是，NPT器件將一直工作。
3.流過(guò)IGBT的電流都有什么？首先用簡(jiǎn)短的語(yǔ)言對(duì)用到的電流做一個(gè)大致的介紹。對(duì)于硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用，頻率—電流圖很有用，可幫助確定器件是否適合應(yīng)用。在應(yīng)用時(shí)需要考慮到數(shù)據(jù)表由于測(cè)試條件不同而存在的差異，如何做到這一點(diǎn)稍后將有一個(gè)例子。對(duì)于軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用，可從IC2開(kāi)始著手。
4.什么是理想的開(kāi)關(guān)速度？如果答案是“更高，更好”，那么PT器件是最好的選擇。同樣，使用頻率—電流圖可以幫助選擇硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用的器件。
5.短路承受能力必要嗎？對(duì)于應(yīng)用如馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，答案是肯定的，而且開(kāi)關(guān)頻率也往往是相對(duì)較低。這時(shí)將需要NPT器件。開(kāi)關(guān)電源往往不需要短路耐受力。
IGBT概述
一個(gè)N溝道IGBT基本上是一個(gè)N溝道功率MOSFET構(gòu)建在p型襯底上，圖1為通常的IGBT橫截面。（PT IGBT有一個(gè)額外的N+層，并將加以解釋。）因此，使用IGBT和使用功率MOSFET非常相似。從發(fā)射極到柵極之間加一個(gè)正的電壓，使得電子從Body流向柵極。 如果門(mén)-發(fā)射極電壓達(dá)到或超過(guò)所謂的閾值電壓，足夠多的電子流向柵極跨過(guò)Body形成一個(gè)導(dǎo)電通道，允許電流從集電極流向發(fā)射極。（準(zhǔn)確地說(shuō)，它使得電子從發(fā)射極流向集電極。）這種電子流吸引陽(yáng)離子或空穴從p型襯底經(jīng)漂移區(qū)到達(dá)集電極。如圖2所示，為IGBT的簡(jiǎn)化等效電路圖。
圖1：N溝道IGBT的橫截面。
圖2：IGBT的簡(jiǎn)化等效電路圖。
圖2的左邊電路圖為一個(gè)N溝道功率MOSFET驅(qū)動(dòng)一個(gè)大襯底PNP雙極晶體管，為達(dá)林頓連接。右邊電路圖簡(jiǎn)單地顯示了一個(gè)N溝道功率MOSFET在漏極串聯(lián)二極管的情形。乍看之下，似乎IGBT兩端的開(kāi)態(tài)電壓比一個(gè)N溝道功率MOSFET本身兩端的開(kāi)態(tài)電壓高一個(gè)二極管的壓降。這是真正的事實(shí)，即IGBT兩端的開(kāi)態(tài)電壓始終是至少有一個(gè)二極管壓降。 然而，相比功率MOSFET，在相同的裸片尺寸下，工作在相同的溫度和電流的情況下，IGBT可以明顯降低開(kāi)態(tài)電壓。原因是，MOSFET僅僅是多子（多數(shù)載流子）器件。 換言之，在N溝道 MOSFET中，只有電子在流動(dòng)。 如前所述，N溝道IGBT的p型襯底會(huì)將空穴注入到漂移區(qū)。因此，IGBT的電流里既有電子又有空穴。這種空穴（少子）的注入大大減少了漂移區(qū)的等效電阻。另有說(shuō)明，空穴注入大大增加了電導(dǎo)率，或?qū)щ娦员徽{(diào)制。由此減少了開(kāi)態(tài)電壓是IGBT相比功率MOSFET的主要優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)然，世界上沒(méi)有免費(fèi)的午餐，較低的開(kāi)態(tài)電壓的代價(jià)是開(kāi)關(guān)速度變慢，特別是在關(guān)閉時(shí)。 原因是，在關(guān)斷時(shí)，電子流可以突然停止，就跟在功率MOSFET中一樣，通過(guò)降低柵極和發(fā)射極之間的電壓使其低于閾值電壓。然而，空穴仍然留在漂移區(qū)，除了電壓梯度和中和沒(méi)有辦法移除它們。IGBT在關(guān)閉期間的尾電流一直要持續(xù)到所有的空穴被中和或被調(diào)制。調(diào)制率是可以控制的，這是圖1中N +緩沖層的作用。 這種緩沖層在關(guān)閉期間迅速吸收捕獲的空穴。 并非所有的IGBT納入一個(gè)n+緩沖層; 那些被稱為穿通型（PT）的有，那些被稱為非穿通型（NPT）的沒(méi)有。 PT IGBTs 有時(shí)被稱為不對(duì)稱的，NPT是對(duì)稱的。
其他的較低的開(kāi)態(tài)電壓的代價(jià)是，如果IGBT的運(yùn)作超出規(guī)格的范圍，那么會(huì)存在閂鎖的可能。閉鎖是IGBT的一種失效模式既IGBT再也不能被柵極關(guān)閉。任何對(duì)IGBT的誤用都將誘發(fā)閉鎖。 因此，IGBT的閉鎖失效機(jī)理需要一些解釋。
基本結(jié)構(gòu)
IGBT的基本結(jié)構(gòu)和晶閘管類似，即一系列PNPN結(jié)。 這可以通過(guò)分析更詳細(xì)的IGBT等效電路模型來(lái)解釋，如圖3所示。
圖3：IGBT的寄生晶閘管模型。
所有的N通道功率MOSFET都存在寄生NPN雙極型晶體管，因此所有N3channel的IGBT也都存在。寄生NPN晶體管的基極是體區(qū)域，基極和發(fā)射極短接以防止晶體管開(kāi)啟。 但是請(qǐng)注意，體區(qū)域存在電阻，既體擴(kuò)散電阻（body region spreading resistance），如圖3所示。 P型襯底，漂移區(qū)和體區(qū)域組成了IGBT的PNP部分。該P(yáng)NPN結(jié)構(gòu)形成了寄生晶閘管。 如果寄生NPN晶體管開(kāi)啟并且NPN和PNP晶體管的增益和大于1，閉鎖就發(fā)生了。 閉鎖是通過(guò)優(yōu)化IGBT的摻雜水平和設(shè)計(jì)不同區(qū)域的尺寸來(lái)避免的，如圖1所示。
可以設(shè)定NPN和PNP晶體管的增益，使他們的總和不到1。 隨著溫度的升高，NPN和PNP晶體管的增益增大，體擴(kuò)散電阻也增大。非常高的集電極電流可在體區(qū)域引起足夠的電壓降使得寄生NPN晶體管開(kāi)啟，芯片的局部過(guò)熱使寄生晶體管的增益升高，這樣他們的收益總和就超過(guò)1。如果發(fā)生這種情況，寄生晶閘管就開(kāi)始進(jìn)入閂鎖狀態(tài)，而且IGBT無(wú)法被柵極關(guān)閉，且可能由于電流過(guò)大被燒毀。這是靜態(tài)閉鎖。高dv/dt關(guān)閉過(guò)程加上過(guò)度的集電極電流也可以顯著地提高增益和開(kāi)啟寄生NPN晶體管。這是動(dòng)態(tài)閉鎖，這實(shí)際上限制了安全工作區(qū)，因?yàn)樗赡軙?huì)在比靜態(tài)閉鎖低得多的集電極電流下發(fā)生閉鎖，這取決于關(guān)斷時(shí)的dv / dt。通過(guò)在允許的最大電流和安全工作區(qū)內(nèi)工作，可以避免靜態(tài)和動(dòng)態(tài)閉鎖，且不用考慮dv / dt的問(wèn)題。請(qǐng)注意，開(kāi)啟和關(guān)閉情況下的dv / dt，過(guò)沖（overshoot）和震蕩（ringing）可由外部閘電阻設(shè)定（以及在電路布局上的雜散電感）。
對(duì)稱柵極IGBT電路分析與設(shè)計(jì)：
1. 引言
IGBT是MOSFET和雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管高電壓、大電流等優(yōu)點(diǎn)。正常情況下工作頻率為幾十kHz，多用在頻率較高的應(yīng)用場(chǎng)合，中、大功率應(yīng)用占據(jù)著主導(dǎo)地位。IGBT和其它電力電子器件一樣，實(shí)用性還依賴于電路條件和開(kāi)關(guān)環(huán)境，性能可靠工作的必要條優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)是保證IGBT高效、可靠工作的必要條件。在設(shè)計(jì)工作中IGBT的驅(qū)動(dòng)電路是電路設(shè)計(jì)的控難點(diǎn)和關(guān)鍵。本文對(duì)IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程、控制特性進(jìn)行了分析研究，介紹了一種對(duì)稱柵極控制驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法。
2. IGBT柵極控制特性
IGBT模塊的開(kāi)關(guān)行為（導(dǎo)通和關(guān)斷）取決于它的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部電容（電荷）以及內(nèi)部和外部阻抗。當(dāng)需要計(jì)算IGBT驅(qū)動(dòng)電路的輸出功率時(shí)，關(guān)鍵的參數(shù)是柵極電荷，柵極電荷由等效輸入電容CGC和CGE決定，如圖1所示。導(dǎo)通過(guò)程可分為三個(gè)階段，分別為柵極-發(fā)射極電容充電階段、柵極-集電極電容充電階段和柵極-發(fā)射極電容充電直到IGBT完全飽和階段。
2.1 IGBT的開(kāi)通過(guò)程
IGBT開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)動(dòng)態(tài)波形如圖2所示。在t0時(shí)刻，觸發(fā)脈沖上升沿作用于柵極，柵極電流IG對(duì)輸入電容CGE充電，VGE并不能垂直上升，當(dāng)VGE在t1時(shí)刻達(dá)到柵極閾值電壓VGE（th），此階段無(wú)集電極電流流過(guò)，并且VCE與VCC相等。
圖2 IGBT開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程的動(dòng)態(tài)波形
從t1時(shí)刻開(kāi)始，集電極電流Ic從0開(kāi)始上升，同時(shí)也在LE上感應(yīng)出一個(gè)反電勢(shì)，隨Ic的上升而增大，由于其方向是與VGE相反的，故此對(duì)VGE的大小和上升率呈現(xiàn)抵消作用，同時(shí)它又制約和減緩了Ic的增長(zhǎng)。CGC所存在的“密勒”效應(yīng)亦對(duì)VGE產(chǎn)生了不利的影響。
在t2時(shí)刻，Ic達(dá)到最大值，VGE開(kāi)始下降，并由此使G-C等效電容CGC放電，這相當(dāng)于在驅(qū)動(dòng)電路中增加了一種容性電流ICGE，使驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，造成VGE進(jìn)一步降低，其波形在t2-t3段上呈現(xiàn)一種上升趨勢(shì)的凹形?？梢钥闯鲵?qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗越低，容性電流ICGE對(duì)它的影響就越小。當(dāng)VGE下降到接近于0（管壓降）時(shí)，ICGE的影響就微不足道了。ICGE的出現(xiàn)，不但降低了VGE，同時(shí)也就延緩了IGBT的開(kāi)通過(guò)程。
在t3時(shí)刻VGE下降到接近于0的管壓降穩(wěn)定值，Ic也進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值階段，此時(shí)IGBT進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，抑制和阻礙VGE上升的不利因素都已消失，至故此VGE能以較快的上升率進(jìn)入到最大穩(wěn)定值，此IGBT的開(kāi)導(dǎo)過(guò)程結(jié)束。
以上分析的結(jié)果表明，IGBT的LE、CGC和驅(qū)動(dòng)電路的電阻都將影響IGBT的開(kāi)通速度，為此應(yīng)盡量選擇LE、CGC小的IBGT，同時(shí)也應(yīng)采用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)電路。
2.2 IGBT的關(guān)斷過(guò)程
IGBT關(guān)斷時(shí)的波形如圖2所示。在t‘0時(shí)刻，觸發(fā)脈沖下降沿作用于柵極，由于CGE的影響，使VGE不能垂直下降，而是以一定斜率下降，在t’0-t‘1期間，Ic、VCE維持不變。
當(dāng)VGE下降到一定程度，t’1時(shí)刻后，IGBT進(jìn)入線性放大工作狀態(tài)，VCE開(kāi)始上升，CGC的密勒效應(yīng)主宰著VCE的上升率。
當(dāng)在t‘2時(shí)刻VCE達(dá)到動(dòng)態(tài)峰值時(shí)，Ic按一定斜率下降至0，同時(shí)CGE+CGC的放電作用消失，VGE自t’2下降至t‘3時(shí)為0值，VCE進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，關(guān)斷過(guò)程結(jié)束。為使關(guān)斷可靠，關(guān)斷觸發(fā)脈沖為負(fù)脈沖。
以上分析的結(jié)果表明，IGBT的CGC、CGE都對(duì)關(guān)斷過(guò)程起到延緩和阻礙的作用，故此要選擇CGC、CGE小的IGBT，另一個(gè)方面內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)電路，能使CGC、CGE的充放電電流增加，可以加速UGE下降和UCE上升的速率。
3. IGBT的驅(qū)動(dòng)電路
3.1 IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)要求
?。?）柵極電壓
IGBT的柵極電容比較大，因此要提高其開(kāi)關(guān)速度，就要有合適的柵極正反向偏置電壓，任何情況下開(kāi)通狀態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓都不能超過(guò)參數(shù)表給出的限定值（一般為20V），這是因?yàn)镮GBT的柵極通過(guò)氧化膜和發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離，由于氧化膜因此柵很薄，其擊穿電壓一般只能達(dá)到20到30V，極擊穿是IGBT最常見(jiàn)的失效原因之一。
最佳柵極正向偏置電壓為15V±10%，這個(gè)值足夠令I(lǐng)GBT飽和導(dǎo)通，使導(dǎo)通損耗至最小。雖然柵極電壓為零就可使IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)，但是為了減小關(guān)斷時(shí)間，提高IGBT的耐壓、dV/dt耐量和抗干擾能力，一般在使IGBT處于阻斷狀態(tài)時(shí)，可在柵極與源極之間加一個(gè)-5至-15V的反向電壓。
?。?）柵極串聯(lián)電阻
柵極電阻影響IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、反向偏置安全運(yùn)行區(qū)域、短路電流安全運(yùn)行區(qū)域、EMI、dv/dt、di/dt和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流。柵極電阻必須按照各個(gè)應(yīng)用參數(shù)仔細(xì)選擇和優(yōu)化，如：IGBT技術(shù)、二極管、開(kāi)關(guān)頻率、損耗、應(yīng)用布局、電感/雜散電感、直流環(huán)節(jié)電壓和驅(qū)動(dòng)能力。
柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率對(duì)IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程有著較大的影響。在高頻應(yīng)用場(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率應(yīng)盡量快一些，以提高IGBT的開(kāi)關(guān)速度，降低損耗。減小柵極串聯(lián)電阻，可以提高IGBT的開(kāi)關(guān)速度，降低開(kāi)關(guān)損耗，用戶可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的頻率范圍，選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)電阻。
在正常情況下IGBT的開(kāi)通速度越快，損耗越小。但在開(kāi)通過(guò)程中如有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容的放電電流，則開(kāi)通的越快，IGBT承受的峰值電流越大，越容易導(dǎo)致IGBT損壞。因此應(yīng)該降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升速率，既增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價(jià)是開(kāi)通過(guò)程的電流峰較大的開(kāi)通損耗。利用此技術(shù)，開(kāi)通過(guò)程的電流峰值可以控制在任意值。
由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對(duì)IGBT開(kāi)通過(guò)程影響較大，而對(duì)關(guān)斷過(guò)程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗。但過(guò)小會(huì)導(dǎo)致di/dt過(guò)大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰，因此對(duì)串聯(lián)電阻要根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求全面綜合考慮，如圖3、4所示為在IGBT開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)di/dt的影響曲線。
圖3 IGBT開(kāi)通時(shí)柵極串聯(lián)電阻對(duì)di/dt的影響???????????????????????????????? 圖4 IGBT關(guān)斷時(shí)柵極串聯(lián)電阻對(duì)di/dt的影響
柵極驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖的波形也有影響。電阻值過(guò)小時(shí)會(huì)造成脈沖振蕩，過(guò)大時(shí)脈沖的前后沿會(huì)發(fā)生延遲或變緩。IGBT柵極輸入電容CGE隨著其額定容量的增加而增大。為了保持相同的脈沖前后沿速率，對(duì)于電流容量大的IGBT器件，應(yīng)提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)的電阻的阻值應(yīng)隨著IGBT電流容量的增大而減小。
柵極驅(qū)動(dòng)電阻RG的取值應(yīng)該以所驅(qū)動(dòng)的IGBT數(shù)據(jù)表中RG值作參考，再根據(jù)IGBT的電流容量和電壓額定值以及開(kāi)關(guān)頻率的不同綜合考慮。
?。?）驅(qū)動(dòng)功率要求
IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程要損耗一定的來(lái)自驅(qū)動(dòng)電源的功率，柵極正反向偏置電壓之差△VGE，工作頻率為f，柵極電容CGE，則電源的最小峰值電流為：
IG=±VGE/RG （1）
驅(qū)動(dòng)電源的平均功耗為：
PG=CGE△VGE2f （2）
3.2 一種用于大功率IGBT的驅(qū)動(dòng)電路
圖5 對(duì)稱柵極控制驅(qū)動(dòng)電路
如圖5所示，柵極驅(qū)動(dòng)電壓由觸發(fā)脈沖通過(guò)推挽輸出電路提供。當(dāng)觸發(fā)脈沖為高電平，V5截止，推挽輸出電路基極為低電平，V3截止，V4導(dǎo)通，從負(fù)載抽取電流，柵極得到負(fù)壓封鎖電平。
當(dāng)觸發(fā)脈沖為低電平，V5導(dǎo)通，推挽輸出電路基極為高電平，V3導(dǎo)通，V4截止，向負(fù)載灌電流，柵極得到正壓導(dǎo)通電平。
這樣一來(lái)，推挽輸出電路基極為高低電平時(shí)，V3一路和V4一路交替工作，從而減輕了功耗，提高了每個(gè)管子的承受能力。又由于無(wú)論走哪一路，管子導(dǎo)通電阻都很小，使RC常數(shù)很小，轉(zhuǎn)彎速度很快，因此推挽式輸出電路既提高了電路的負(fù)載能力，又提高了開(kāi)關(guān)速度。
在圖5的驅(qū)動(dòng)電路中，調(diào)節(jié)R1C1的時(shí)間常數(shù)，可以加快和延緩IGBT的開(kāi)通時(shí)間，改變占空比，同時(shí)在半橋驅(qū)動(dòng)模式中，也就改變了上下橋臂的死區(qū)時(shí)間。圖6是占空比為50%的上下橋臂的柵極驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間波形圖，死區(qū)時(shí)間不到4μs。圖7是給C1電容增大0.1μF后上下橋臂的柵極驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間波形圖，死區(qū)時(shí)間高達(dá)24μs，占空比為43%。所以根據(jù)柵極驅(qū)動(dòng)的脈沖波形，合理調(diào)配R1C1時(shí)間常數(shù)，避免死區(qū)時(shí)間太大，波形失真，效率低?；蛘咚绤^(qū)時(shí)間太小，容易炸管。
圖6 正常的柵極驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間??????????????????????????????????????????????????????????? 圖7 增大的柵極驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間
3.3 柵極驅(qū)動(dòng)電阻的設(shè)計(jì)和布局
對(duì)于大功率的IGBT，由于柵級(jí)電阻RG上流過(guò)幾安培的驅(qū)動(dòng)電流，建議使用電阻并聯(lián)的形式，如圖8、9所示。如果一個(gè)柵極電阻損壞，系統(tǒng)可臨時(shí)運(yùn)行，避免損壞IGBT，也有利于增強(qiáng)熱擴(kuò)散。
在圖9中，反并接的二極管V219的作用是加快其功率器件IGBT的關(guān)斷速度。二極管的選取除了考慮快速性和耐壓值之外，正向?qū)娏髦狄欢ㄒ獫M足驅(qū)動(dòng)回路的關(guān)斷電流，否則容易損壞二極管。其中，RG（OFF）的阻值為R214、R215、R216的并聯(lián)阻值。
IG（OFF）=-VGE/RG（OFF） （3）
圖8 并聯(lián)柵極電阻的PCB布局???????????????????????????? ?????????????????????????????????? 圖9 并聯(lián)柵極電阻RG的原理圖示
4. 結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的柵極控制特性進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，合理的布線設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是保證IGBT開(kāi)關(guān)電路正常和可靠工作的重要前提。