igbt关断特性分析

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1、IGBT关断特性分析　　【摘要】本文以IGBT的物理模型为研究对象，详细分析IGBT关断过程中门-射极电压、门极电流及集电极-射极电压、集电极电流的各种行为情况；并以英飞凌的IGBT参数为依据，建立IGBT的仿真测试模型，分析门-射极电压、门极电流及集电极-射极电压、集电极电流的情况，与理论分析对比表明结果很好的吻合在一起，为进一步的应用IGBT提供参考。　　【关键词】IGBT原理；IGBT关断特性分析；IGBT模型　　【Abstract】BasedonphysicsmodelofIGBT，th

2、epaperstudiedIGBT’sturn-offbehaviorofgate-emittervoltage，gatedcurrentandcollector-emittervoltage，collectorcurrent.andestablishedSimulinkmodelofIGBToninfineonproduction，analysisedbehaviorofgate-emittervoltagegatedcurrentandcollector-emittervoltage，col

3、lectorcurrent，thesameasthetheory.producedtheoreticalreferenceforfuture.　　【Keywords】IGBTtheory；IGBTturn-offbehavior；IGBT’smodel　　0前言　　IGBT结合了MOSFET管和双极性晶体管的优点，具有电压型驱动、输入阻抗高、饱和压降低等一系列的优点，在电力电子领域具有广泛的应用。然而IGBT内部寄生电容的存在，导致IGBT的开断呈现非线性的特点，因此研究IGBT的开断特性有助于

4、更好的应用IGBT器件[1]。　　1IGBT的原理　　其中，VJ1是结J1的正向偏置压降，RD是漂移区电阻，Rch是MOS沟道的电阻。正是由于VJ1的存在，要使IGBT导通，必须要约0.7V的正向电压。相比之下，在MOSFET的三层结构中没有这个结，所以其导通的条件只是漏-源电压大于零。IGBT所具有的这个额外的P+层有重要的意义，它能够使得N-漂移区发生电导调制，使得IGBT的RD比MOSFET的小得多。　　图1（b）中，还给出了一个寄生NPN晶体管，两个晶体管的连接方式形成了一个寄生晶闸管。

5、这个寄生晶闸管的存在使得IGBT可能发生闩锁（有的文献称之为擎住效应），即晶闸管的导通会导致IGBT门极失去控制作用并导致器件损坏。在新型IGBT的设计中，通过减小门-射短路电阻RS，如图1（b）中所示，可显著抑制闩锁现象。因为要避免NPN晶体管工作，MOSFET和PNP晶体管的电流就不是均匀分配的，MOSFET承担了四分之三的电流。其中，βPNP是宽基极PNP晶体管的电流放大倍数，由于它远小于1，所以晶体管集电极电流分量ICP比MOSFET电流分量IMOS要小。通常工况下，PNP晶体管不会处于

6、深饱和状态。　　图1（b）中所示的三个电容是器件内部的寄生电容，容值随着器件工况而变化。图2给出了这几个寄生电容的物理描述[1]，也给出了相应的电路元件和电流路径。门-集电容CGC是米勒电容，是由门极和N-漂移区之间的耗尽层形成的。在IGBT导通时，N-漂移区与门极氧化物毗邻的部分处于电荷积累的条件，CGC的值较大；而当VCE增大时，积累条件被削弱，CGC减小。CGE代表门极和沟道之间门极氧化物的门-射电容，它的值通常是恒定的，而且较大。集-射电容CCE是关断时结J2处的耗尽层电容，它的大小实际

7、上代表了通态时漂移区内储存的电荷的多少。　　1.1IGBT的关断　　1.1.1关断第一阶段：门极电压下降　　关断过程从VGG下降（从VG+到VG-）的时刻开始。门极电流IG从门极流向门极驱动电路，门极电容（CGC+CGE）放电，门极电压VGE按指数规律下降，达到平台电压VM，如下式所示[1-2]：　　1.1.2关断第二阶段：电压上升　　第二阶段始于t7时刻，此时VGE到达稳定的平台值，该值的大小依赖于集电极电流。理想条下，它与开通时门极电压平台的值相同。门极电流IG仅流经米勒电容CGC，对其持续

8、放电，导致集电极电压VCE逐步上升。如图3所示，VCE的上升分为两个明显的部分――开始的低速率部分和随后的稳定高速率部分。　　强烈的米勒效应就发生在这个阶段。米勒电容的特性曲线有明显的拐点，其值在低集电极电压的时候较高，在高集电极电压的时候较低。因此，在VCE最初上升的时候，由于CGC的值较大，dVCE/dt较低。当VCE增长到超过某个特定值时（与器件额定电压有一点关系，例如对于1700V/400A的IGBT来说，该值约为20V），CGC开始骤减至小得多的值，导致dVCE/dt快速增加，VCE达