IGBT開(kāi)通過(guò)程分析(二)

米勒平臺(tái)過(guò)程

柵極電壓在上升到一定值后，會(huì)有一個(gè)柵極電壓維持水平的階段，這個(gè)電壓稱之為密勒平臺(tái)電壓。由上面分析可知，當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓， IGBT 開(kāi)始通過(guò)正向電流。當(dāng)集電極電流達(dá)到最大電流時(shí)，續(xù)流二極管反偏， IGBT 兩端的電壓Vce迅速低，耗盡區(qū)迅速縮減，Vds的電壓也隨之降低，而耗盡區(qū)縮減以及電壓Vds降低的過(guò)程決定了柵極電壓密勒平臺(tái)的形成過(guò)程。柵極電壓平臺(tái)階段驅(qū)動(dòng)回路等效電路圖如下：

柵極—集電極電容Cgc是一個(gè)電容值和帶電量都變化的過(guò)程，其變化過(guò)程不由柵極電壓控制，而是由變化的集射極電壓決定。在這個(gè)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)回路一直給電容Cgc進(jìn)行充電，柵極電壓Vg不上升的原因在于電壓Vce一直在減小，這也是密勒平臺(tái)形成的直接原因，這個(gè)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)回路只給Cgc電容充電。

在Vce下降后，米勒平臺(tái)繼續(xù)維持的原因在于此時(shí)的載流子濃度在持續(xù)增加，因此電容值也在增加，從而柵極電壓仍然維持在密勒平臺(tái)電壓。

驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)柵極電壓波形的影響

上述分析了IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中柵極電壓的變化過(guò)程，并給出了對(duì)應(yīng)的等效電路。根據(jù)上述分析，如開(kāi)通延時(shí)等效電路圖，在給柵極電容充電的階段，驅(qū)動(dòng)電阻的值越小，時(shí)間常數(shù)越小，從而柵極電壓上升越快，開(kāi)通延遲的時(shí)間越短。由米勒平臺(tái)階段等效電路圖可知，驅(qū)動(dòng)電阻越小，相同的柵極平臺(tái)電壓值，平臺(tái)持續(xù)時(shí)間也越短。驅(qū)動(dòng)電阻越小，平臺(tái)電壓之后，上升到最大柵極電壓的時(shí)間也越短。

04

開(kāi)通過(guò)程集電極電流分析

開(kāi)通電流

當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓時(shí)，集電極電流以較快的速度上升，因此在集電極電流由零上升到負(fù)載電流這一短時(shí)間內(nèi)，柵極電壓可以近似認(rèn)為是線性增長(zhǎng)，從而IGBT 集電極電流在到達(dá)負(fù)載電流之前，可以認(rèn)為IGBT 集電極電流曲線為二次函數(shù)曲線，即Ic=at?

其中a 由芯片參數(shù)以及功率回路參數(shù)、驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)共同決定。

二極管反向恢復(fù)過(guò)程

IGBT 集電極電流過(guò)沖與續(xù)流二極管的反向恢復(fù)過(guò)程相對(duì)應(yīng)。IGBT集電極電流持續(xù)增大的過(guò)程中，續(xù)流二極管中的少子濃度逐漸降低，反偏電流密度梯度也逐漸減小。當(dāng)續(xù)流二極管達(dá)到反偏電流的最大值，二極管中耗盡區(qū)邊緣少子濃度達(dá)到熱平衡濃度。此后，二極管進(jìn)入反向恢復(fù)階段，此時(shí)的IGBT 集電極電流特性更多地取決于續(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程中需要將二極管中余下的過(guò)剩載流子移除，且耗盡區(qū)的電勢(shì)降大小為反偏電壓值。通常情況下，為了使二極管快速關(guān)斷，需要有較大的反偏電流和較小的少子壽命。

05

開(kāi)通過(guò)程集射極電壓分析

集射極電壓下降過(guò)程分析

理想條件下，不考慮回路中的雜散電感和電阻，當(dāng)續(xù)流二極管的電流達(dá)到最大反向電流時(shí)，二極管開(kāi)始承受反向電壓，此時(shí)IGBT 兩端的電壓急劇下降。IGBT集射極電壓下降包括兩個(gè)階段，第一個(gè)階段類似于MOSFET 開(kāi)通機(jī)理，耗盡區(qū)迅速消失，電壓急劇下降，如下圖所示的UCE_MOSFET階段; 第二個(gè)階段是過(guò)剩載流子在基區(qū)內(nèi)擴(kuò)散，電導(dǎo)調(diào)制區(qū)擴(kuò)大，中性基區(qū)壓降減小過(guò)程，如下圖所示的UCE_BJT階段。由于載流子擴(kuò)散的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于耗盡區(qū)消失的速度，因此這個(gè)階段的電壓衰減非常緩慢。