【導(dǎo)讀】這要從IGBT的平面結(jié)構(gòu)說(shuō)起。IGBT和MOSFET有類(lèi)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(huì)發(fā)生退飽和現(xiàn)象。下圖所示是一個(gè)簡(jiǎn)化平面型IGBT剖面圖，以此來(lái)闡述退飽和發(fā)生的原因。柵極施加一個(gè)大于閾值的正壓VGE，則柵極氧化層下方會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)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。可以看到IGBT工作狀態(tài)分為三個(gè)部分：
1、關(guān)斷區(qū)：CE間電壓小于一個(gè)門(mén)檻電壓，即背面PN結(jié)的開(kāi)啟電壓，IGBT背面PN結(jié)截止，無(wú)電流流動(dòng)。
2、飽和區(qū)：CE間電壓大于門(mén)檻電壓后，電流開(kāi)始流動(dòng)，CE間電壓隨著集電極電流上升而線性上升，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為飽和區(qū)。因?yàn)镮GBT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(jìn)一步增大。到一定臨界點(diǎn)后，CE電壓迅速增大，而集電極電流并不隨之增長(zhǎng)。這時(shí)我們稱(chēng)IGBT退出了飽和區(qū)。在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，IGBT損耗增加，發(fā)熱嚴(yán)重，是需要避免的工作狀態(tài)。
為什么IGBT會(huì)發(fā)生退飽和現(xiàn)象？
這要從IGBT的平面結(jié)構(gòu)說(shuō)起。IGBT和MOSFET有類(lèi)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(huì)發(fā)生退飽和現(xiàn)象。下圖所示是一個(gè)簡(jiǎn)化平面型IGBT剖面圖，以此來(lái)闡述退飽和發(fā)生的原因。柵極施加一個(gè)大于閾值的正壓VGE，則柵極氧化層下方會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反型層，形成導(dǎo)電溝道。這時(shí)如果給集電極C施加正壓VCE，則發(fā)射極中的電子便會(huì)在電場(chǎng)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(huì)從集電極C流向發(fā)射極E，這樣電流便形成了。這時(shí)電流隨CE電壓的增長(zhǎng)而線性增長(zhǎng)，器件工作在飽和區(qū)。當(dāng)CE電壓進(jìn)一步增大，MOS溝道末的電勢(shì)隨著VCE而增長(zhǎng)，使得柵極和硅表面的電壓差很小，而不能維持硅表面的強(qiáng)反型，這時(shí)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(zhǎng)。我們稱(chēng)器件退出了飽和區(qū)。
(a) IGBT的正常工作狀態(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(shí)上，IGBT的安全工作區(qū)只占整個(gè)輸出特性曲線的很小一部分，多數(shù)器件標(biāo)稱(chēng)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(gè)區(qū)域器件經(jīng)過(guò)100%的出廠測(cè)試，可以進(jìn)行連續(xù)開(kāi)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(shí)IGBT結(jié)溫 不超最大限制，你需要保證關(guān)斷時(shí)電壓尖峰不超額定電壓，你還需要保證選擇的門(mén)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(xiàng)。
如果器件的電流在超過(guò)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(shí)關(guān)斷器件仍然是有風(fēng)險(xiǎn)的！是器件禁止進(jìn)入的工作狀態(tài)。此時(shí)，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(jìn)入上圖所示黃色區(qū)域的短路工作區(qū)，在特定的短路時(shí)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(guò)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(shí)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(méi)有進(jìn)入短路安全工作區(qū)，就請(qǐng)不要關(guān)斷！不要關(guān)斷！不要關(guān)斷！
在實(shí)際應(yīng)用中，退飽和現(xiàn)象一般發(fā)生在器件短路時(shí)，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(shí)CE電壓上升到母線電壓，電流一般是額定電流的4~8倍（見(jiàn)各器件規(guī)格書(shū)），功率異常增大，結(jié)溫急劇上升，不及時(shí)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(shí)間，一般在10us之內(nèi)，具體參見(jiàn)各產(chǎn)品規(guī)格書(shū) 。
從器件輸出曲線可以看出，隨著門(mén)極電壓 的上升，短路電流也急劇上升，因此規(guī)格書(shū)承諾的短路能力一般都建立在特定的門(mén)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(mén)極電壓限制在15V以下。
以IKW25N120T2為例，在門(mén)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(shí)間。在10us之內(nèi)，器件可以被安全的關(guān)斷。
因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路精確快速的短路保護(hù) 電路，從而保護(hù)IGBT在發(fā)生短路后進(jìn)行可靠關(guān)斷。
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