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什么是IGBT的退飽和(desaturation)? 什么情況下IGBT會進入退飽和狀態(tài)?

發(fā)布時間:2024-08-30 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】這要從IGBT的平面結(jié)構(gòu)說起。IGBT和MOSFET有類似的器件結(jié)構(gòu),MOS中的漏極D相當(dāng)于IGBT的集電極C,而MOS的源極S相當(dāng)于IGBT的發(fā)射極E,二者都會發(fā)生退飽和現(xiàn)象。下圖所示是一個簡化平面型IGBT剖面圖,以此來闡述退飽和發(fā)生的原因。柵極施加一個大于閾值的正壓VGE,則柵極氧化層下方會出現(xiàn)強反型層,形成導(dǎo)電溝道。


如下圖,是IGBT產(chǎn)品典型的輸出特性曲線,橫軸是C,E兩端電壓,縱軸是歸一化的集電極電流??梢钥吹絀GBT工作狀態(tài)分為三個部分:

1、關(guān)斷區(qū):CE間電壓小于一個門檻電壓,即背面PN結(jié)的開啟電壓,IGBT背面PN結(jié)截止,無電流流動。

2、飽和區(qū):CE間電壓大于門檻電壓后,電流開始流動,CE間電壓隨著集電極電流上升而線性上升,這個區(qū)域稱為飽和區(qū)。因為IGBT飽和電壓較低,因此我們希望IGBT工作在飽和區(qū)域。

3、線性區(qū):隨著CE間電壓繼續(xù)上升,電流進一步增大。到一定臨界點后,CE電壓迅速增大,而集電極電流并不隨之增長。這時我們稱IGBT退出了飽和區(qū)。在這個區(qū)間內(nèi),IGBT損耗增加,發(fā)熱嚴重,是需要避免的工作狀態(tài)。


什么是IGBT的退飽和(desaturation)? 什么情況下IGBT會進入退飽和狀態(tài)?


為什么IGBT會發(fā)生退飽和現(xiàn)象?


這要從IGBT的平面結(jié)構(gòu)說起。IGBT和MOSFET有類似的器件結(jié)構(gòu),MOS中的漏極D相當(dāng)于IGBT的集電極C,而MOS的源極S相當(dāng)于IGBT的發(fā)射極E,二者都會發(fā)生退飽和現(xiàn)象。下圖所示是一個簡化平面型IGBT剖面圖,以此來闡述退飽和發(fā)生的原因。柵極施加一個大于閾值的正壓VGE,則柵極氧化層下方會出現(xiàn)強反型層,形成導(dǎo)電溝道。這時如果給集電極C施加正壓VCE,則發(fā)射極中的電子便會在電場的作用下源源不斷地從發(fā)射極E流向集電極C,而集電極中的空穴則會從集電極C流向發(fā)射極E,這樣電流便形成了。這時電流隨CE電壓的增長而線性增長,器件工作在飽和區(qū)。當(dāng)CE電壓進一步增大,MOS溝道末的電勢隨著VCE而增長,使得柵極和硅表面的電壓差很小,而不能維持硅表面的強反型,這時溝道出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象,電流不再隨CE電壓的增加而成比例增長。我們稱器件退出了飽和區(qū)。


什么是IGBT的退飽和(desaturation)? 什么情況下IGBT會進入退飽和狀態(tài)?

(a) IGBT的正常工作狀態(tài)


什么是IGBT的退飽和(desaturation)? 什么情況下IGBT會進入退飽和狀態(tài)?

(b) IGBT的退飽和狀態(tài)


IGBT的安全工作區(qū)


第一節(jié)我們講到了IGBT需要工作在飽和區(qū),但是,并不是所有的飽和區(qū)都適合IGBT工作。事實上,IGBT的安全工作區(qū)只占整個輸出特性曲線的很小一部分,多數(shù)器件標(biāo)稱的安全工作區(qū)電流在2~4倍額定電流之間,如下圖綠色區(qū)域所示。在這個區(qū)域器件經(jīng)過100%的出廠測試,可以進行連續(xù)開關(guān)操作。當(dāng)然,在安全工作區(qū) 里也并不意味著能隨心所欲為所欲為,你需要保證連續(xù)工作時IGBT結(jié)溫 不超最大限制,你需要保證關(guān)斷時電壓尖峰不超額定電壓,你還需要保證選擇的門極電阻 不能太小,以免引起震蕩,也不能太大,以免增加損耗,以及其它等等注意事項。


什么是IGBT的退飽和(desaturation)? 什么情況下IGBT會進入退飽和狀態(tài)?


如果器件的電流在超過了安全工作區(qū)所定義的電流,即使它仍然處于飽和狀態(tài),即上圖中的紅色區(qū)域,這時關(guān)斷器件仍然是有風(fēng)險的!是器件禁止進入的工作狀態(tài)。此時,必須使器件電路降回到安全工作區(qū)電流,或者使器件退飽和,即進入上圖所示黃色區(qū)域的短路工作區(qū),在特定的短路時間內(nèi),才可以安全關(guān)斷。


那么如果器件一直工作在飽和區(qū),雖然電流超過了安全工作區(qū),但是仍低于短路電流 ,比如落在圖3中的紫色區(qū)域中,這時候能不能安全關(guān)斷呢?答案依然是否定的。只要器件電流超出了安全工作區(qū),但又沒有進入短路安全工作區(qū),就請不要關(guān)斷!不要關(guān)斷!不要關(guān)斷!


在實際應(yīng)用中,退飽和現(xiàn)象一般發(fā)生在器件短路時,但是退飽和區(qū) 只能有一小部分作為短路安全工作區(qū)。這時CE電壓上升到母線電壓,電流一般是額定電流的4~8倍(見各器件規(guī)格書),功率異常增大,結(jié)溫急劇上升,不及時關(guān)斷器件就有可能燒毀器件。多數(shù)IGBT有一定的短路承受時間,一般在10us之內(nèi),具體參見各產(chǎn)品規(guī)格書 。


從器件輸出曲線可以看出,隨著門極電壓 的上升,短路電流也急劇上升,因此規(guī)格書承諾的短路能力一般都建立在特定的門極電壓基礎(chǔ)上,一般是15V。因此圖3所示的短路安全工作區(qū)門極電壓限制在15V以下。

IKW25N120T2為例,在門極電壓VGE=15V,母線電壓600V,器件結(jié)溫小于175℃的情況下,器件有最多10us的短路時間。在10us之內(nèi),器件可以被安全的關(guān)斷。


什么是IGBT的退飽和(desaturation)? 什么情況下IGBT會進入退飽和狀態(tài)?


因此可以通過設(shè)計實現(xiàn)驅(qū)動電路精確快速的短路保護 電路,從而保護IGBT在發(fā)生短路后進行可靠關(guān)斷。


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