關斷過程中柵壓振蕩問題

1、關斷過程中柵壓振蕩問題應用在的高壓領域中的IGBT,為了獲得更優(yōu)的導通壓降與關斷損耗的trade-off曲線， 往往加入了 FS層。更高濃度的FS層和更低濃度的N-base區(qū)，可以使漂移區(qū)的電場分布從 三角形阻斷成梯形。這使得獲得相同耐壓的情況下，硅片大大減薄，降低了制造成本。但是， 加入了 FS層的IGBT的關斷過程變得更加復雜，在柵壓變化的影響下可能造成振蕩。Fig I NPT-IGBT, TGBT with field stop layer and IGBT with carrier storage layer: cross-scciion of one cell圖1對于高壓IGBT來說

2、，RBSOA不僅受集電極-發(fā)射極電壓和集電極電流限制，同時還受最 大電場強度限制。為了能夠更好地理解柵驅(qū)動條件對高壓IGBT的關斷影響，下面建立一維 簡單模型來討論IGBT的關斷過程。1、一維關斷模型對于高壓IGBT來說，它的關斷主要由低濃度的N-base區(qū)的大量載流子抽取決定。在正向?qū)顟B(tài)時，忽略了漂移區(qū)的載流子復合，同時忽略了擴散電流，只有漂移電流。圖2因此，在整個等離子區(qū)中的電子電流和空穴電流之比為遷移率之比，等于3.當柵極放電，MOS溝道減少，不再能保持電子電流。溝道一側(cè)開始形成空間電荷區(qū)并不 斷擴大，Vce升高。電子向集電極方向流出，空穴通過空間電荷區(qū)向頂部流出，當溝道完全 關閉時

3、，整個集電極電流由流向頂部的空穴電流構成。由泊松方程可以得到空間電荷區(qū)的電場強度梯度：dEQ = %(N + p(x) n(x，其中 p(x )=ipsc.Rdx D SCR SCRSCR A - % - v (E (x)與關態(tài)時對比，空穴電流和空穴濃度為零，由于空穴電流的變化引起了一個更高的電場 強度梯度，所以相同電壓下會引起一個更高的最大電場強度。這會導致動態(tài)雪崩，所以要限 制高壓IGBT關斷時的最大關斷電流。2、柵極驅(qū)動對關斷的控制圖3表示了柵極驅(qū)動對IGBT開關的影響IGBT的MOS溝道由一個電壓控制電流源代替。等離子區(qū)的載流子抽取由電容。德描述，它通過SCR區(qū)的空穴電流和等離子區(qū)的空

4、穴電流之間的差值充放電。dVce/dt有兩種情況。圖3C=c，pam這個式子是兩種不同情況的分界線。CGCE如果柵電流比上式中的高，dv/dt則由C 和 Cce限制.柵電流與流過密勒電容Ccg的電流的差值對柵電容C 放電。Vge降低低于閾值電壓時，MOS溝道完全關閉（情況1）。此時 GE的dv/dt是最大的。如果柵電流比上式中的低，dv/dt則由iG和C*限制。此時MOS溝道仍然存在，流過溝 道的電流等于對 %充電電流減去負載電流。密勒電容C*通過負反饋保持柵極電壓在合 適的值：如果柵電壓變小，MOS溝道中的電子電流減少，會有更多的電流對C 充電；這會 CE 引起一個更高的dv/dt并通過密勒

5、電容C*增加柵電壓。與情況1相比,dv/dt和動態(tài)dE/dx 都減小了。由于C*和七舟空間電荷區(qū)寬度也即Vce大小密切相關，因此兩種情況的分界線取 決于Vce大小Vce較低時，密勒電容相對較大，所以所有關斷都從情況2開始。如果柵電 流足夠大，關斷可以在Vce變化坡度中從情況2變?yōu)榍闆r1。3、NPT-IGBT的關斷過程Ig對Emax的影響關斷時空穴電流的前后巨大變化產(chǎn)生最大電場強度，可能引起雪崩擊穿。電場強度可以 由下面的公式說明：座=土 & +p SQ）dx D SCR SCRnSCRp 1pSCRSCRSCRCESCRA - e - vmax如果Ig較小，關斷開始時溝道還存在，耗盡區(qū)還存在電

6、子電流Inscr，相應的空穴電流減少，Ig越小，電子電流Inscr越大，dVce/dt越小，Emax和電場梯度dE/dx也越小。如果Ig較大，關斷時溝道就已經(jīng)關閉，耗盡區(qū)沒有電子電流，相應的Emax和電場梯度dE/dx也較大。由此可見，Ig對Emax和電場梯度dE/dx能夠較好的控制。Ig對過沖電壓Vce的影響高的Ig會使In迅速減小，使Emax大，耗盡區(qū)寬度W減小。當Ig減小時，dE/dx減小 W擴大，中性區(qū)縮小，相同時間內(nèi)要抽取更多的電荷，引起更高的過沖電壓。如果Ig進一 步減小，則In還很大，di/dt變小，過沖電壓降低，但此時關斷損耗很大。由此可知，柵電 流對di/dt的控制很弱，在實

7、際運用中往往需要外圍的箝位電路來限制過沖電壓。Ig對關斷損耗的影響Ig的大小決定了關斷的快慢，Ig越小關斷速度越慢關斷損耗W越大。4、FS-IGBT的關斷對于加入了 FS層的FS-IGBT來說，關斷過程大體與NPT-IGBT差不多，唯一的變化是當 耗盡區(qū)擴展到FS阻斷層時會使電場分布由三角形變成梯形。如果還在Vce變化過程中達到 FS層，則會產(chǎn)生巨大的dv/dt，一般來說是NPT的10倍；如果在Ic變化過程中達到FS層， 則會使電流增大（snap off）。二次尖峰的產(chǎn)生：關斷過程中，中性區(qū)與耗盡區(qū)交界處的電荷抽取能力可以用一個微分電容C來衡量。對 于一個 Vce，C越大，表示越多的電荷抽取。

8、這個電容和寄生電感形成諧振電路，C越大， 產(chǎn)生的過沖電壓越小。如果耗盡區(qū)的寬度小于N-區(qū)寬度，則電場強度分布是個三角形。在 dE/dx不變的情況下，為了增加Vce，需要擴展耗盡區(qū)的寬度。但是，當耗盡區(qū)擴展到FS層時，電場強度分布變成了梯形，耗盡區(qū)寬度有很小的增加，就能增加相同的Vce,微分電容 C明顯變小，因此又引起一個很高的過沖電壓。6,5kV FS-IGBT 40 A load current, MOS channe dosed6B5kVFS-IGBT 600 A I Dadi current, MOS chen-riel still open.3JkVFSdGBT 1000 A load

9、 current MOS chainnel closedFig. 7 Simulation of rhe turn-off behavior of GBTs with tic Id-stop layer圖4圖4為6500V FS-IGBT的關斷模擬曲線。如果關斷時負載電流低，溝道完全關閉，在SCR區(qū)中沒有電子電流。當SCR區(qū)擴展到 FS層，微分電容減少，使得dv/dt增大。如果負載電流正常，更高的電場梯度引起更大的穿通電壓。柵極通過一個適度的電流放 電時，在Vce變化時溝道中還有電子電流，當SCR擴展到FS層使得dv/dt增大，通過密勒 電容引起Vge增大，又使得SCR區(qū)中的電子電流增大。如果

10、柵極電阻較小，放電電流Ig較大，一開始關斷時溝道就已經(jīng)關閉，這導致電場強 度梯度很大（電場分布仍為三角形），當Vce達到dc-link電壓值時，dE/dx減小，SCR在電流 變化時擴展。當擴展到FS層時，Ic回到了負載電流的一半大小，微分電容的變得很小，引 起了一個很陡的電流坡度和相當高的一個過沖電壓。關斷時的振蕩圖5左為一個有著過壓保護和負反饋的柵極驅(qū)動電路的6500V FS-IGBT的關斷測試曲線。Fig. 8 Measurement of die wrn-ofl behavior of a 6 JkV / C.6kA IGBT (left) and a 3.3kV / L_2kA ICr

11、BT (right), betli with field-stop layer* oversrokagc J imitation with feedback control圖5在上面模擬中，SCR在Vce變化坡度中擴展到了 FS層，此時柵極電壓仍然可以被柵極驅(qū)動電路控制，所以過壓限制電路仍可以有足夠的反應時間把Vce限定在一個合適的值。圖5的右圖為一個3300V FS-IGBT的關斷曲線。由于SCR在Ic變化的坡度中擴展到了 FS 層，這引起很高的di/dt，這時dVce/dt增大10倍左右，由于第一個Vce峰值已經(jīng)過了，柵 極放電而過壓限制電路反應速度不足，沖電壓限制電路跟不上Vce的劇烈變化，故開始振蕩。 5、一些結(jié)論通過對Ig的合理控制能夠有效控制IGBT關斷時的Emax和電場梯度，Ig越小，Emax和dE/dx越小；Ig對于過沖電壓的控制乏力，需要需箝位電路來限制