IGBT--退飽和問題

IGBT--退飽和問題

這是某產(chǎn)品輸出特性曲線，可以看到IGBT工作區(qū)分為三個(gè)部分：

1、截止區(qū)：CE間電壓小于0.7V，IGBT背面PN結(jié)截止，無電流流動(dòng)。

2、飽和區(qū)：CE間電壓大于0.7V，電流開始流動(dòng)，CE間電壓隨著集電極電流上升而線性上升。這是IGBT希望的工作狀態(tài)。

3、放大區(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IGBT退出了飽和區(qū)。

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(huì)發(fā)生退飽和現(xiàn)象。下圖所示是一個(gè)簡(jiǎn)化的MOS剖面圖，以此來闡述退飽和發(fā)生的原因。柵極施加一個(gè)大于閾值的正壓VGS，則柵極氧化層下方會(huì)形成導(dǎo)電溝道，這時(shí)如果給漏極D施加正壓VDS，則源極中的電子便會(huì)在電場(chǎng)的作用下源源不斷地從漏極D流向源極S，這樣電流便形成了，這時(shí)電流隨DS電壓的增長(zhǎng)而線性增長(zhǎng)。隨著DS電壓的增大，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，溝道出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，電流不再隨DS電壓的增加而成比例增長(zhǎng)。

正常工作

退飽和狀態(tài)

那么在應(yīng)用中，退飽和現(xiàn)象會(huì)有什么危害呢?

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)，這時(shí)CE電壓上升到母線電壓，電流一般是額定電流的4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(shí)關(guān)斷器件就有可能燒毀器件。多數(shù)IGBT有一定的短路承受能力，一般在10us之內(nèi)，具體參見各產(chǎn)品規(guī)格書。

遇到退飽和現(xiàn)象怎么辦

1、最簡(jiǎn)單的辦法：監(jiān)測(cè)電流，電流超過一定的閾值后驅(qū)動(dòng)器報(bào)錯(cuò)，關(guān)斷IGBT。這種方法本質(zhì)上是過流檢測(cè)，無法將過流與退飽和相區(qū)分。

2、檢測(cè)器件的CE電壓。IGBT正常工作時(shí)CE電壓很低，一般在1V到3V之間，而IGBT發(fā)生退飽和之后CE電壓會(huì)迅速上升。退飽和檢測(cè)電路事先設(shè)定一個(gè)閾值電壓，比如9V，當(dāng)CE間電壓超過9V時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片報(bào)錯(cuò)，關(guān)斷IGBT。目前多數(shù)驅(qū)動(dòng)芯片廠商都推出了集成了退飽和檢測(cè)功能的芯片，只需要簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)。下面是一個(gè)典型的退飽和檢測(cè)電路(圖中功率器件為MOSFET，換成IGBT通用)。驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置一個(gè)500uA恒流源，器件正常工作時(shí)壓降很低，500uA的電流流過功率器件;當(dāng)器件退飽和后壓降急劇升高，二極管DDESAT截止，500uA電流只能向電容CDESAT充電，當(dāng)CDESAT上的電壓超過9V時(shí)，芯片內(nèi)部比較器翻轉(zhuǎn)，邏輯電路報(bào)錯(cuò)。

退飽和關(guān)斷時(shí)注意什么

因?yàn)樵谕孙柡蜖顟B(tài)下器件電流非常大，如果不加限制地關(guān)斷IGBT，會(huì)產(chǎn)生很大的di/dt，施加在回路的寄生電感上就會(huì)感應(yīng)出很高的CE電壓，如果這個(gè)電壓高于器件額定電壓，那么IGBT就有可能損壞。我們有兩種手段來控制關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰

1、軟關(guān)斷：當(dāng)驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到短路時(shí)，軟關(guān)斷功能不是將IGBT的柵極電壓直接轉(zhuǎn)換成0V或者相應(yīng)的負(fù)壓，而是利用一個(gè)相對(duì)較大的電阻，通過它給柵射之間的電容Cge放電，從而降低IGBT的關(guān)斷速度，避免產(chǎn)生過電壓。一旦柵極電壓降低到某個(gè)值(如2V)，大電阻就會(huì)被一個(gè)小電阻取代，這樣可以確保快速而完全地給柵射電容Cge放電。

2、有源鉗位：有源鉗位的基本原理如圖a所示，只要集電極處的電位超過了某一特定電壓臨界值UCE，且這個(gè)電壓高于二極管VD1的雪崩電壓，電流I1流過D1,D2,RG和T2， 如果RG上的電流大于IGBT的閾值電壓Vth，則IGBT再次開通，關(guān)斷過程減慢，從而集電極電壓得到抑制。這種方法對(duì)TVS管的要求較高，且會(huì)增大柵極-集電極之間的電容，因此實(shí)際中經(jīng)常采用會(huì)把信號(hào)反饋到柵極放大器的推挽前級(jí)，如圖所示。

審核編輯：湯梓紅