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如何理解IGBT的退饱和现象以及安全工作区

在设计功率电路中,饱和和退饱和是非常重要的概念,搞清这些概念是可靠设计驱动保护电路的关键。今天就来探讨一下退饱和现象的产生原理,以及由此引发的IGBT安全工作区概念。

基本概念

图1 IGBT产品典型输出特性曲线

如上图,是IGBT产品典型的输出特性曲线,横轴是C,E两端电压,纵轴是归一化的集电极电流。可以看到IGBT工作状态分为三个部分:

1、截止区:CE间电压小于一个门槛电压,即背面PN节的开启电压时,IGBT背面PN结截止,无电流流动

2、饱和区:CE间电压大于门槛电压后,电流开始流动,CE间电压随着集电极电流上升而线性上升,这个区域称为饱和区。因为IGBT饱和电压较低,因此我们希望IGBT工作在饱和区域。

3、线性区:随着CE间电压继续上升,电流进一步增大。到一定临界点后,CE电压迅速增大,而集电极电流并不随之增长。这时我们称IGBT退出了饱和区。在这个区间内,IGBT损耗增加,发热严重,是需要避免的工作状态。

为什么IGBT会发生退饱和现象?

这要从IGBT的平面结构说起。IGBT和MOSFET有类似的器件结构,MOS中的漏极D相当于IGBT的集电极C,而MOS的源极S相当于IGBT的发射极E,二者都会发生退饱和现象。下图所示是一个简化平面型IGBT剖面图,以此来阐述退饱和发生的原因。栅极施加一个大于阈值的正压VGE,则栅极氧化层下方会出现强反型层,形成导电沟道。这时如果给集电极C施加正压VCE,则发射极中的电子便会在电场的作用下源源不断地从发射极E流向集电极C,而集电极中的空穴则会从集电极C流向发射极E,这样电流便形成了。这时电流随CE电压的增长而线性增长,器件工作在饱和区。当CE电压进一步增大,MOS沟道末的电势随着VCE而增长,使得栅极和硅表面的电压差很小,进而不能维持硅表面的强反型,这时沟道出现夹断现象,电流不再随CE电压的增加而成比例增长。我们称器件退出了饱和区。

(a) 正常工作

(b) 退饱和状态

图2 典型IGBT剖面图

IGBT的安全工作区

第一节我们讲到了IGBT需要工作在饱和区,但是,并不是所有的饱和区都适合IGBT工作。事实上,IGBT的安全工作区只占整个输出特性曲线的很小一部分,多数器件标称的安全工作区电流在2~4倍额定电流之间,如下图绿色区域所示。在这个区域器件经过100%的出厂测试,可以进行连续开关操作。当然,在安全工作区里也并不意味着能随心所欲为所欲为,你需要保证连续工作时IGBT结温不超最大限制,你需要保证关断时电压尖峰不超额定电压,你还需要保证选择的门极电阻不能太小,以免引起震荡,也不能太大,以免增加损耗,以及其它等等注意事项。

图3 IGBT工作区定义

如果器件的电流在超过了安全工作区所定义的电流,即使它仍然处于饱和状态,即上图中的红色区域,这时关断器件仍然是有风险的!是器件禁止进入的工作状态。此时,必须使器件电路降回到安全工作区电流,或者使器件退饱和,即进入上图所示黄色区域的短路工作区,在特定的短路时间内,才可以安全关断。

那么如果器件一直工作在饱和区,虽然电流超过了安全工作区,但是仍低于短路电流,比如落在图3中的紫色区域中,这时候能不能安全关断呢?答案依然是否定的。只要器件电流超出了安全工作区,但又没有进入短路安全工作区,就请不要关断!不要关断!不要关断!

在实际应用中,退饱和现象一般发生在器件短路时,但是退饱和区只能有一小部分作为短路安全工作区。这时CE电压上升到母线电压,电流一般是额定电流的4~8倍(见各器件规格书),功率异常增大,结温急剧上升,不及时关断器件就有可能烧毁器件。多数IGBT有一定的短路承受时间,一般在10us之内,具体参见各产品规格书。

从器件输出曲线可以看出,随着门极电压的上升,短路电流也急剧上升,因此规格书承诺的短路能力一般都建立在特定的门极电压基础上,一般是15V。因此图3所示的短路安全工作区门极电压限制在15V以下。

以IKW25N120T2为例,在门极电压VGE=15V,母线电压600V,器件结温小于175℃的情况下,器件有最多10us的短路时间。在10us之内,器件可以被安全的关断。

今天我们聊了退饱和的定义以及相应的安全工作区概念,那么在实际应用中,遇到退饱和现象如何应对?以及短路关断时又有哪些注意事项?后续会有文章一一道来,敬请持续关注。

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