[分享] 如何理解IGBT的退饱和现象以及安全工作区

qwqwqw2088 2024-2-20 08:21 楼主

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。