IGBT关断过程分析

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为电力电子领域中至关重要的元件，其关断过程的分析对于理解其性能和应用至关重要。IGBT结合了双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（MOSFET）的优势，具有导通特性好、开关速度快等特点。下面，我们将从IGBT的关断波形、关断时间的影响因素、以及关断过程中的具体阶段等方面，对其关断过程进行详细分析。

一、IGBT关断波形及时间表达式

IGBT的关断波形大致可以分为三个阶段：

1. 关断延迟时间​ td(off)​：从栅极电压开始下降到沟道电流开始显著减小的时间段。
2. 电压上升与电流下降时间 Δt：在关断过程中，电压上升到10%而电流下降到90%的时间段。
3. 关断下降时间 tf：从电流下降到90%到电流几乎为零的时间段。

IGBT的关断时间 toff​ 可以表达为：

二、关断过程的具体阶段

1. 关断延迟时间 td(off)​

在关断初期，栅极电压 Vgs​ 开始下降，MOSFET的门极电压逐渐减小至Miller平台电压 Vmr​。此时，漏源电压 Vds​ 增大至最大值Vds(max)​，而漏源电流 Ids​ 保持不变。由于 Ib​=Ids​，BJT的集射极电流 Ice​也保持不变。此阶段为MOSFET行为主导，因此关断延迟时间 td(off)​ 主要由MOSFET的固有参数决定，如栅极驱动电阻 RG​、栅源电容CGS​、栅漏电容 CGD​、栅源跨导 gfs​ 等。

关断延迟时间的计算公式为：

2. 电压上升与电流下降时间 Δt

当栅极电压继续下降，MOSFET进入Miller平台区，此时漏源电压 Vds​ 迅速上升，而漏源电流 Ids​ 仍然保持不变。由于BJT的集射极电流Ice​ 受 Ib​ 控制，因此在该阶段 Ice​ 也保持不变。Δt 时间的计算公式为：

3. 关断下降时间 tf

当栅极电压降至阈值电压以下时，MOSFET的沟道反型层消失，沟道电流 IMOS​ 迅速下降为零。此时，IGBT的电流主要由BJT部分承载，即I(t)=IC(BJT)​(t)。随着n−区过剩载流子空穴的复合，电流逐渐下降至零，此过程称为阶段II，是关断电流下降时间 tf​ 的主要组成部分。

三、关断时间的影响因素

1. 电压对关断时间的影响

随着集电极-发射极电压 VCE​ 的增大，J2结耗尽层宽度逐渐增大，导致 ΔI 变小(ΔI 为阶段I中电流的变化量)。若保持导通电流 I0​ 不变，则I1​(阶段II开始时的电流)增大，进而关断时间延长。因此，在相同电流下，VCE​ 越大，关断时间越长。

2. 电流对关断时间的影响

随着IGBT电流的增大，BJT的电流放大系数 β 逐渐减小，导致 ΔI 占 I0​ 的比例增大，而拖尾电流占总电流 I0​的比例减小，进而关断时间缩短。特别地，当电流较小时，关断时间很长，且随电流的增大迅速缩短;当电流大于一定值时，关断时间恢复至正常值附近，并随电流的增大缓慢减小。

四、关断过程中的物理机制

在IGBT的关断过程中，物理机制主要涉及载流子的复合与耗尽层的变化，这些变化直接影响了电流和电压的动态行为。

1. 载流子复合

在IGBT关断阶段，特别是在关断下降时间tf期间，n型基区（n-base）中的过剩载流子（主要是空穴）开始复合。这些空穴在IGBT导通期间由p+集电极注入，并在n型基区中积累，以维持BJT部分的导通状态。当栅极电压降至阈值以下，MOSFET沟道关闭，无法再为BJT提供基极电流，此时n型基区中的空穴开始通过复合过程消失。复合过程主要包括直接复合和通过复合中心的间接复合，这些过程的速度决定了电流下降的速度。

2. 耗尽层扩展

随着集电极-发射极电压VCE的上升，J1（发射极-基极）和J2（集电极-基极）结的耗尽层开始扩展。耗尽层的扩展增加了电阻，限制了电流的流动。特别是在J2结，耗尽层的扩展减少了n型基区向集电极的电荷注入，进一步加速了电流的下降。此外，耗尽层的扩展还改变了电场分布，影响了载流子的迁移率和扩散过程。

3. 拖尾电流

在关断过程的后期，会出现一段拖尾电流。这是因为在n型基区中，部分空穴由于距离复合中心较远或复合速率较低，无法在短时间内完全复合。这些剩余的空穴继续向集电极扩散，形成拖尾电流。拖尾电流的存在增加了关断时间，并可能产生额外的热量和电压应力。为了减少拖尾电流，可以采取一些措施，如优化n型基区的掺杂浓度和厚度，引入复合中心等。

4. 温度效应

温度对IGBT的关断过程也有显著影响。随着温度的升高，载流子的迁移率和扩散系数增加，复合速率也加快。这通常会导致关断时间缩短，但也可能导致电流和电压的波动增加。此外，高温还可能降低IGBT的击穿电压和长期可靠性。因此，在设计IGBT系统和控制策略时，必须考虑温度的影响。

五、优化IGBT关断性能的策略

1. 优化栅极驱动电路 ：减小栅极电阻RG，使用快速响应的驱动芯片，可以缩短关断延迟时间和电压上升时间。
2. 改进器件结构 ：通过优化n型基区的掺杂浓度和厚度，引入复合中心等措施，可以减少拖尾电流，缩短关断时间。
3. 温度管理 ：采用有效的散热措施，如增加散热片、使用热管等，可以降低IGBT的工作温度，提高关断性能和长期可靠性。
4. 软关断技术 ：通过控制栅极电压的下降速率，实现IGBT的软关断。软关断可以减少关断过程中的电压和电流过冲，降低电磁干扰和应力。
5. 智能控制策略 ：结合系统的工作状态和负载特性，采用智能控制策略来优化IGBT的开关过程。例如，在轻载或空载情况下降低开关频率，以减少开关损耗和热量产生。

综上所述，IGBT的关断过程是一个复杂的物理和化学过程，涉及载流子的复合、耗尽层的扩展、拖尾电流的产生以及温度效应等多个方面。通过深入理解这些机制和影响因素，并采取有效的优化策略，可以显著提高IGBT的关断性能和系统的整体性能。