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快乐飞艇是国家开的吗 逆导型FS-IGBT的动态特性

作者:海飞乐技术 时间:2019-02-25 16:11

  逆导型FS-IGBT的动态特性包括IGBT的动态特性和FRD的动态特性。本文主要对IGBT的开通、关断过程以及FRD的反向恢复过程进行理论分析,推导出IGBT开通延迟时间td,on、上升时间tr、关断延迟时间td,off的估算公式。
 
  1. IGBT动态特性
  IGBT的动态特性即开通和关断特性,其基本测试电路如图1(a)所示,由电源电压Vbat、寄生电感Lpar、续流二极管FWD、电感L、限流电阻R、待测试IGBT及其驱动电路组成。图1(b)是IGBT的动作波形,包括开通过程和关断过程的栅极电压VGE、集电极电流IC和集电极与发射极间的电压VCE动作曲线。为简化分析过程,假设开关暂态的任意时刻载流子和空间电荷区都能维持在稳态,即不考虑载流子变化对IGBT开关特性的影响。

IGBT开关特性测试原理与特性 
图1 IGBT开关特性测试原理与特性
(a)IGBT开关特性简易测试电路; (b)IGBT开关动作波形
 
  初始条件假设FWD处于续流状态,即电流IL流过负载电感L、Lpar、FWD和R的闭合回路。当栅驱动信号为正,VG首先通过栅电阻RG向电容CGE和CGC充电,IGBT栅极电压逐渐增加。在栅极电压达到阈值电压VTH之前,无电流流过IGBT。定义开通延迟时间td,on为10%VG到10%IC所用时间。td,on可采用栅极电压达到VTH所用时间估算,如式(1)所示。
计算公式1(1)
  当IGBT的栅极电压VGE大于阈值电压VTH后,电流开始流过IGBT,流过FWD的电流逐渐减小。VG继续对电容CGE和CGC充电,IGBT栅极电压继续增加。定义上升时间tr为集电极电流IC从10%上升到90%所用的时间。tr可采用集电极电流从产生到增大至IL所用时间估算,如式(2)所示。
计算公式2(2)
  当集电极电流IC=IL后,栅电源VG开始对电容CGC充电,VCE开始下降,其下降的速度与电容CGC相关,CGC越大,下降速度越慢。此段时间,IGBT工作状态由线性区向饱和区转变。之后,VG继续对CGE充电,栅极电压VGE继续增加以降低沟道电阻,最终达到VG。至此,IGBT开通过程结束。
  IGBT的关断过程始于栅驱动信号为零,栅电容开始通过电阻RG放电,VGE下降,其随时间的变化可用式(3)描述。值得注意的是,关断过程的CGC大于开通过程,因此VGE的下降速度较慢。此段过程中,IC和VCE几乎不变,FWD处于阻断状态,电流主要通过电感L和IGBT流通。直到栅极电压下降到阈值电压附近,集电极电压才开始上升。关断延迟td,off定义为90%VGE至90%IC所用时间。td,off可采用栅极电压从VG下降至VTH所用时间估算,如式(3)所示。
计算公式3(3)
  当集电极电压上升至Vbat后,FWD导通,IGBT的电流开始下降。下降时间tf定义为IC从90%下降至10%所用时间。该段时间与IGBT内部载流子分布以及载流子的寿命等相关,其解析模型较复杂,此处仅作定性分析。
  在IGBT电压上升阶段,N型漂移区耗尽层扩展,电子向集电极漂移,空穴向发射极漂移,如图2(a)所示。此阶段,发射极一侧载流子浓度降低,集电极一侧的载流子浓度几乎不变。当VCE增大至Vbat后,FWD开始导通,IGBT电流开始逐渐下降。此时,漂移区内部中性区从两侧逐渐变窄,如图2(b)所示。一方面,IGBT电流密度减。?行У恼?绾山档,因此其电场斜率减。?贾潞木∏?绦?┱。另一方面,由于集电极电子与空穴的电流发生变化,集电极侧载流子逐渐减少。
 
  根据以上分析,电流下降的时间tf与该阶段中性区的宽度、中性区内载流子的浓度以及载流子的抽取速度相关。中性区的宽度与漂移区厚度WN和反偏电压Vbat相关。WN越。?行郧?蕉蹋环雌?缪筕bat越大,中性区越短。而载流子的浓度与IGBT开态时的电导调制强弱有关,如集电极注入效率、电流密度等。而载流子的抽取速度,与集电极一侧的结构和载流子寿命相关。
IGBT关断过程中载流子变化 
图2 IGBT关断过程中载流子变化
(a)电压上升阶段载流子变化; (b)电流下降阶段载流子变化
 
  2. FRD动态特性
  FRD的动态特性主要指反向恢复特性,其简易测试电路如图3(a)所示,由电源电压Vbat、理想开关S、电感L、待测试FRD及理想电流源IF组成。图3(b)是FRD的反向恢复波形,包括FRD阳极的电流和电压动作曲线。图中阴影部分是反向恢复电荷。
  初始状态理想开关S断开,FRD在电流源的驱动下处于导通状态,导通电流为IF。当理想开关S开通,反向偏置电压Vbat迫使FRD关断,FRD两端电压以及电流关系如式(4)所示:
计算公式4(4)
式中v(t)表示二极管两端电压。在最初的电流下降过程中,由于二极管仍处于导通状态,v(t)约1~2V,可忽略。因此,二极管两端电流下降速度仅与电感L和电源电压Vbat相关,如公式(5):
计算公式5(5)
FRD反向恢复测试原理与反向恢复特性 
图3 FRD反向恢复测试原理与反向恢复特性
(a)FRD反向恢复特性简易测试电路; (b)FRD反向恢复波形
 
  t0为FRD电流为零的时刻,tirm为FRD反向恢复电流达到最大值IRRM的时刻。在tirm时刻,电流变化斜率di/dt=0,此时v(t)=-Vbat。ta定义为tirm与t0的时间差。ta与电流变化斜率di/dt、电源电压Vbat和载流子的分布有关。di/dt越大,ta越。琁RRM越大;Vbat越大,ta越大;若阳极附近的载流子浓度低,ta较小。
  在tirm时刻后,FRD两端电流逐渐下降,其电流下降速度不能太快,否则高di/dt会导致寄生电感两端过高的感生电压Ldi/dt,该感生电压叠加在电路中的IGBT中,造成IGBT击穿。tb定义为FRD电流从IRRM下降至25%IRRM所用时间。tb主要与FRD的载流子寿命以及所采用的FRD结构相关。通常定义软度因子S以描述FRD反向恢复的软度情况:
计算公式6(6)
  式(6)中,S越大表示该FRD的反向恢复特性越软。如图4(a)所示,图中曲线为FRD的反向恢复电流,该FRD反向恢复的tb时间十分短,软度因子S很小。需要注意的是,式(6)并不能严格描述FRD的软度情况,因为在tb阶段,可能存在如图4(b)所示的情况。在tb前期阶段,下降速度慢,时间长。但在tb后期阶段,电流急速下降,时间短。从而导致整体的tb时间较长,若采用式(6)计算S,S较大。但图(b)情况,不应该认为FRD恢复特性较软,因为tb后期的高di/dt仍然对IGBT形成电应力,容易损坏IGBT。
 
  定义FRD的反向恢复时间trr为ta与tb之和,其表征了FRD的反向恢复快慢,是FRD最重要的参数之一。与IGBT配套使用的FRD,要求具有快而软的反向恢复特性,即trr较。琒较大。通常使用寿命控制技术,以减小trr。寿命控制技术包括扩金、扩铂、电子辐照等全域寿命控制技术和H+、He2+等轻离子辐照的局域寿命控制技术。
FRD硬恢复的两种情况 
图4 FRD硬恢复的两种情况
(a) FRD硬恢复情况1;(b)FRD硬恢复情况2
 
  全域寿命控制技术采用重金属扩散或电子辐照引入复合中心。重金属如金或铂可通过扩散以替位式和间隙式进入半导体中,替位式原子具有更高的固溶度,间隙式原子具有更快的扩散速度。间隙式原子极容易转变成替位式原子,从而使重金属在半导体中扩散速度十分快。在850℃扩散温度下,只需要10分钟,大量的重金属原子可扩散至半导体的另一侧。重金属杂质分布呈现中间低、两头高的U型分布。电子辐照通过电子或γ射线引入缺陷能级,降低载流子寿命。电子辐照引入的缺陷不稳定,制作的器件长期稳定性不好。
  局域寿命控制是在器件的特定位置进行轻离子辐照,在体内形成缺陷峰值,从而达到局域寿命控制的目的。采用局域寿命控制技术的器件,反向恢复特性好,但其漏电流较大、高温特性较差[38]。目前,国内普遍采用重金属扩散和电子辐照的全域控制技术。




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