IGBT 直通短路过程问题分析
目录
1、IGBT的工作原理和退饱和
1.1 IGBT 和 MOSFET结构比较
1.2 IGBT 和 MOSFET 在对饱和区的定义差别
1.3 IGBT 退饱和过程和保护
2、电感短路和直通短路
2.1 短路类型
2.2 桥臂直通短路
在进行IGBT短路实验的过程中,我们通常使用“退饱和电路”进行器件的短路保护。那么退饱和电路的实现机理是什么样的?另外,短路负载对短路特性有什么样的影响呢?本文主要就这两个问题进行讨论,从机理层面作简要的分析,有不当之处希望各位读者批评指正。
1、IGBT的工作原理和退饱和
1.1 IGBT 和 MOSFET结构比较
为了理解IGBT进入退饱和的过程机理,我们有必要简单比较下MOSFET和IGBT结构上的区别: 简单来看,IGBT在MOSFET的基本结构上增加了一个P+层提供空穴载流子,这样可以和漏极N+区域的电子在基区N-进行电导调制,从而降低IGBT在大电流条件下的导通压降。IGBT通过其FET结构控制在基区的载流子(电子和空穴),从而控制IGBT的导通和关断。
1.2 IGBT 和 MOSFET 在对饱和区的定义差别
这里有一个概念需要稍稍澄清下,MOSFET和IGBT关于“饱和区”的定义有一定的差异,其实也可以认为是单载流子器件和双载流子器件的差异。
如图1-3, MOSFET的区域定义:①正向阻断区(也称为截止区,夹断区);②恒流区(也称饱和区、有源区、线性放大区);③欧姆区(也称为可变电阻区、非饱和区);④雪崩击穿区;⑤反向导通区
如图1-4, IGBT的区域定义:①正向阻断区(截止区);②有源区(线性放大区);③饱和区;④雪崩击穿区;⑤反向阻断区
对于饱和区的定义,两种器件的有一定的差异,主要是由于两种器件的载流子类型和导电方式的不同。MOSFET作为单载流子器件,参与导电的为电子;IGBT电子和空穴都参与了导电,分为电子电流和空穴电流。
MOSFET 在区域③,电流沟道完全导通,电流受外围电路控制,未能到达饱和状态;随着电流的增加,VDS电压也增加,VDS>VGE-VGE(th),沟道被“预夹断”,MOSFET进入区域②,源极N+无法提供更多的电子,IDS电流电流达到饱和状态。
IGBT 饱和区的定义和BJT类似,在区域③,ICE电流不受门级信号的控制(类似于BJT集电极电流不受基极电流控制),由外围电路阻抗决定;随着电流的增加,进入区域②以后,IGBT的门级能够控制去N-区域复合的电子,从而控制ICE电流,称为线性区。
从特性曲线上看,在一定的门级电压条件下,ICE电流上升到一定大小,出现了明显的“拐点”,该拐点即是IGBT的退饱和点;在拐点左侧IGBT进入“饱和区”,在拐点右侧IGBT进入“线性区”,IGBT由饱和区进入线性区,我们称为“退饱和”。
更多的结构差异感兴趣的可以参考这篇文章:
IGBT结构原理 - 知乎
关断过程和门级对载流子的控制,耿博士这两篇文章写的非常好,推荐阅读:
IGBT关断过程是怎样的? 第一讲:栅极电压对内部载流子的控制分析 - 知乎
IGBT关断过程是怎样的?第二讲:门极电阻对剩余载流子的扫出过程影响机理 - 知乎
1.3 IGBT 退饱和过程和保护
退饱和的半导体机理可以简单等效为MOSFET部分的门级的“预夹断”。如图1-5所示,随着电流的增加,MOSFET的导电沟道关闭,导电通道阻抗迅速增加,IGBT进入退饱和,VCE电压迅速增加。
这里需要注意的是,“预夹断”并不等同于沟道关闭。在预夹断之前,沟道内的载流子不受门级的控制,外围电路对集电极电流ICE起到控制作用。当门极电压Vge≥Vge(th),且Vce>Vge-Vge(th)时,进入退饱和区域以后,此时流入到N-基区的电子电流In受到门极电压的控制,进而限制了IGBT内部PNP晶体管的基极电流,最终空穴电流Ip也受到限制,因此该区域的IGBT集电极电流Ic会进入“线性区”。
进入“线性区”后,IGBT的Vce电压迅速上升,利用该特性,可以设计退饱和检测电路。如图1-6所示,当VCE电压迅速升高二极管Ddesat截止,DESAT电压被充电到阈值电压,从而触发驱动芯片对IGBT进行关断。
2、电感短路和直通短路
2.1 短路类型
在实际应用过程中,IGBT的负载往往是感性负载。随着短路电感大小的不同,IGBT的短路波形也会存在明显的区别。如果短路回路中电感很小,那么母线电压VDC直接加到IGBT两端,我们称为“一类短路”。如图2-1,IGBT不存在一个导通过程,直接进入退饱和状态。
如果短路回路中存在一定感值的电感,那么母线电压压降会落在电感两端,电流呈现一定斜率的线性规律增加,到达一定的值后IGBT进入退饱和,这时候才会将电感上的电压“抢”到IGBT两端。如图2-2,可以说电感上的电压比较“软”,很容易就被IGBT抢过来。
2.2 桥臂直通短路
一般我们在实施一类短路测试的时候,通常会在对管(陪测管)并联“粗短铜排”。一方面,短路掉对管,排除对管开关动作对被测管的影响,更能准确的评估测试管的特性;另外一方面,可以利用对管的二极管进行续流,防止测试过程中反压导致测试管的击穿。
在实际应用中,桥臂直通短路通常是在两个管子都开启了DESAT保护功能进行的。桥臂直通(忽略回路电感),上下管的IGBT具有相同的电流,如果上下管IGBT特性一致,两个管子应该将各自承受一半的母线电压。
对于模块封装形式的IGBT,由于内部Layout的关系,很难做到上下管的对称封装结构。以HPDriver 为例(图2-3),红色为上管电流路径,绿色为下管电流路径。由于存在三个IGBT Chip并联,下管电流的等效电阻要大于上管电流的等效电阻。因此在上下管晶圆上存在分压不均的问题,下管的分压要大于上管。如果在相同的DESAT电路参数条件下,下管始终优先触发保护。
如图2-4,下桥IGBT保持开启,断开驱动互锁信号,上桥实施短路。VCE电压在短路器件始终未能抬升,这部分电压被下管IGBT“抢走”了,并且很快下管进入DESAT保护,限制短路电流的进一步增加(即使这时候还没有到上管触发DESAT保护),而上管的DESAT触发信号就比下管慢了很多。
从这个角度看,双保险的DESAT保护能够快速对短路进行响应,对桥臂直通短路的保护是有利的。
参考资料:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/279977278
https://zhuanlan.zhihu.com/p/283856300
https://zhuanlan.zhihu.com/p/338139843
https://zhuanlan.zhihu.com/p/442744455
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