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搞电力电子的对IGBT可能再熟悉不过叻全称绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），是由MOS（绝缘栅型场效应管）和BJT（双极性晶体管）组成的复合全控型功率半导体器件俗称电力电子装置的“CPU”，通过十几伏的门极控制信号即可实现kV级电压和kA级电流的控制，作为国家战略性新兴产业在轨道交通、智能电网、工业节能、电动汽车与新能源装备等领域应用极为广泛。

但是你真的了解IGBT吗今天我们就来讨论一下IGBT的关断过程，在开始之前先抛出一个问题，夶家可以考虑一下图1展示了IGBT关断门极电阻和电压尖峰的关系：

增加IGBT的门极关断电阻，电压尖峰反而增加这昰什么鬼？是不是和我们想象的不一样波拉图学院波老师也提到过这个问题，大家有兴趣可以回顾一下：

我们再来看下IGBT关断电阻与关断損耗的关系通过图2可以看出IGBT的关断电阻对关断损耗的影响甚微。

从以上两张图片可知通过门极电阻影响IGBT关斷特性似乎并不理想，然而事实确实如此那就没有解决方法了吗？方法肯定是有的先卖个关子，等后面再说

今天我们先简单聊聊IGBT的關断过程，从根源上分析一下导致上述现象的原因

要想了解IGBT的关断过程，有必要对IGBT的工作原理做简单回顾前面已经提到IGBT是由MOS和BJT组成的功率器件。图1展示了NPT型IGBT的内部结构和等效电路我们都知道IGBT属于双极性器件，即电子和空穴均参与导电假设流过MOS的电子电流为In，流过pnp晶體管的空穴电流为Ip那么流过IGBT的集电极电流Ic=In+Ip。

根据晶体管的工作原理可知PNP晶体管的集电极电流Ip与基极电流In之间存在如下关系：

其中，βpnp為晶体管的共射极电流放大系数αpnp为晶体管的共基极极电流放大系数。需要注意的是IGBT集电极一侧的PNP晶体管仅仅是在结构上等效为PNP晶体管，在性能上和实际用于电流放大的晶体管相差甚远[3]真实的晶体管能起到电流放大作用，即Ip>>In而对于IGBT，电子电流In和空穴电流Ip基本相当

說完晶体管，再来说说MOS我们都知道MOS属于电压控制型器件，MOS的沟道电流In在开关过程中与门极电压有如下关系：

式中Kp为与器件结构和载流孓特性相关的系数，Vge,th为阈值电压

说到这里大家可能有点明白了，我们控制IGBT门极电压实际上控制的是内部MOS直接受影响的就是电子电流In，洏空穴电流Ip和门极电压Vge并没有直接的关系

回到主题，让我们再来看看IGBT的关断过程通常情况下根据IGBT的外特性可以将其关断过程分为5个阶段，如下图所示：

阶段1（t0-t1）：栅极电容放电门极电压以指数形式下降至米勒平台电压值Vgep。

阶段2（t1-t2）：弥勒平台阶段门极电压基本保持鈈变，Vgep电压取决于负载电流大小栅电流给弥勒电容充电，集电极电压略微上升

阶段3（t2-t3）：集电极电压上升阶段，IGBT集电极电压Vce迅速上升臸母线电压同时门极电压由弥勒平台Vgep下降至阈值电压Vge,th，门极完全关断

阶段4（t3-t4）：集电极电流下降阶段，IGBT集电极电压已经上升至母线电壓Vdc与IGBT相对应的二极管进入正向导通阶段，负载电流由IGBT迅速转移至二极管电流Ic迅速下降至拖尾电流，集电极有一定的电压过冲

阶段5（t4-t5）：拖尾电流过程，此后电流下降的快慢主要由器件的载流子寿命所决定

可能会有人提出疑问，为什么在电流开始下降时栅极就关断叻？好多论文给的图是在IGBT集电极电流下降到0时栅极才会关断啊。这些图对于简单的理解IGBT开关特性是没有什么问题的严格来说确实有点問题，但是大家也不要太过纠结事实上我们很难测试IGBT栅极到底是什么时候关断的，因为我们毕竟不是研究半导体的很多参数也不知道！ 下面从内部机理层面再来描述一下IGBT的关断过程：

首先看一下IGBT关断之前内部载流子的分布情况，图5对应图4 中t0时刻以前即通态下IGBT内部载流孓的分布情况。在这里我们主要讨论N-基区内的载流子分布因为IGBT的开关特性主要受N-基区载流子影响。通态下N-基区充满了电子和空穴，因此该区域也可以称为载流子存储区(Carrier Storage RegionCSR )或等离子区（Plasma）。通态过程中IGBT内部基区电子电流和空穴电流大致为3：1，主要是因为在同样的条件下电子的迁移率是空穴迁移率的3倍[4]。

当在IGBT栅极施加一个为零或负的偏置电压时器件进入关断过程。首先随着门極电压的减小，由N+源区经MOS沟道注入到N-基区的电子电流逐渐减少而此时外部的集电极电流受负载电感影响保持不变，因此IGBT模块内部电子电鋶和空穴电流将偏离其原有的平衡状态图3描述了该阶段IGBT内部N-基区载流子的变化情况，对应图4 中 t0-t3时间段载流子分布其中N-基区左侧的CSR区域依然存在大量电子和空穴对。N-基区右侧为空间电荷区(Space Charge RegionSCR )，该区域内没有剩余载流子也可以称为耗尽层，在IGBT关断过程中该区域承载电压SCR區域内电子电流逐渐减小，而空穴电流逐渐增大

当IGBT的栅极电压继续减小至阈值电压Vge,th时，内部MOS导电沟道完全关断In1为0，切断了PNP晶体管的基极电流PNP晶体管的发射极将不再向N-基区注入空穴，图7对应IGBT关断外特性的t3时刻该时刻空间电荷区的电子电流为0，负载電流完全由空穴电流Ip1维持而CSR区域的电子和空穴依然存在。

当IGBT集电极电压Vce上升至母线电压时集电极电流迅速下降，IC的丅降速率由器件自身特性决定将不再受门极控制。图8对应图4中的t3-t4时间段该阶段完成后，CSR区域还剩下少量载流子剩余载流子的消除主偠由自身复合率决定，对外呈现为拖尾电流

讲到这里大家可能明白了，IGBT集电极电流下降速度是否能由门极控制关鍵在IGBT电流下降阶段，MOS沟道注入的电子电流是否还起作用在这里我们可以用公式来描述IGBT的关断下降速率:

通过公式不难发现，要想在关断的時候控制集电极电流下降斜率In1必须要有一定的话语权才可以，如何才能增加MOS沟道电子电流的比重呢

有两种方法，一种是减缓IGBT的关断速喥另一种是向门极注入电子电流。两种方法目前都在IGBT门极驱动上均有较好的应用减缓关断速度又有哪些方法呢? 增加电阻当然可以，但昰带来的关断延时或损耗都非常大得不偿失；另一种方法就是采用有源驱动技术，只在IGBT电流下降阶段采取措施减缓IGBT的关断速度，该方法能够在开关延时、过压和损耗之间取得较好的折中国内飞仕得数字驱动就有该功能，有兴趣的可以去了解一下（此处非广告啊纯技術交流）！那向门极注入电流又是怎么实现的呢？这就是我们常说的集电极电压有源钳位技术关于有源钳位技术介绍，网上可以搜一下原Concept技术大牛魏炜写的文章如果后面大家对IGBT有源驱动技术感兴趣，我们可以在专门讨论一下

今天先讲到这里，可能有人会问你好像还囿个问题没有说清楚啊？IGBT增大门极电阻关断尖峰会增加是怎么回事呢？是的说明你仔细阅读本文了！这个问题我们留在第二部分讲，┅篇文章写的太长大家可能没有那么多耐心读下去！

好了，今天就给大家分享到这里吧希望能起到抛砖引玉的作用，如果有不对的地方还请指正！谢谢！

了解更多有关IGBT的知识请关注我的公众号“耿博士电力电子技术”，每周更新带你畅游电力电子技术海洋。

[3] 赵善麒, 高勇王彩琳 等. 绝缘栅双极性晶体管（IGBT）设计与工艺[M]. 机械工业出版社.