基于电压电流的 IGBT 关断机理与关断时间研究

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绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 是双极型晶体 管 (BJT) 和场效应晶体管 (MOSFET) 的复合器件, IGBT 将 BJT 的电导调制效应引入到 VDMOS 的 高阻漂移区, 大大改善了器件的导通特性, 同时还 具有 MOSFET 栅极输入阻抗高、开关速度快的特 点 [1,2] . IGBT 以其独特的优势, 在电能变换等领域 广泛应用. 由于对 IGBT 关断机理认识不清, 对关断 时间随电压和电流的变化规律认识不清, 导致无法 解释在使用过程中出现的电流拖尾长、死区时间 长等现象, 不能充分发挥 IGBT 的性能; 导致 IGBT 因使用不当, 烧毁, 轻则造成财产损失、资源浪费, 重则酿成事故、整个装置及系统陷入瘫痪状态. 目前, 部分文献和专著对 IGBT 关断机理和关 断时间问题略有提及 [3−10] , 但只是就 IGBT 关断 过程进行了论述, 没有与电压和电流的变化建立关 系, 不能正确、有效地指导 IGBT 使用. 文献 [3—6] 将 IGBT 的关断过程划分为 5 个阶段, 阐述了每个 阶段 VCE, VGE 和 IC 的变化及相对关系, 对每个阶 段引起变化的因素进行了解释, 但未能给出详细 的 IGBT 关断机理和物理解释. 文献 [7, 8] 给出了 IGBT 关断时间随电压变化的简单结论, 没有进行 理论推导与验证. 文献 [9, 10] 论述了影响关断时间 的因素, 指出关断时间与载流子寿命、迁移率、掺 杂浓度等物理参数有关, 但未能推导出关断时间与 电压和电流的关系. IGBT 关断时间的变化由半导 体物理参数引起, 仅仅了解这些参数与关断时间的 关系, 对 IGBT 使用没有指导意义. IGBT 使用者希 望通过电压电流的要求工作范围, 来判断 IGBT 的 关断时间, 进而, 对死区时间及系统其他参数进行 设置. 因此, 需建立关断时间与 IGBT 电压和电流之 间的变化规律. 本文将 IGBT 简化为 MOSFET 与 BJT 的复合 结构, 通过分析二者的独立与结合特性, 对 IGBT 的 关断机理进行了分析, 指出 IGBT 关断时间由三部 分构成, 推导出 IGBT 关断时间的变化由电流下降 时间决定. 分别就电压和电流对关断时间的影响进 行了理论推导, 通过相关假设和合理简化, 以载流 子运动和耗尽层扩展为基础, 推导出关断时间随电 压和电流的变化规律. 对变化规律的物理解释进行 了论述, 有助于对规律的理解和使用. 仿真和实验 结果验证了所得规律的正确性, 通过对所得实验数 据进行处理和分析, 提出 IGBT 关断时间与电压和 电流的关系符合指数与双曲线复合变化规律.