IGBT的工作原理和退饱和 IGBT的电感短路和直通短路

1、IGBT的工作原理和退饱和

1.1 IGBT 和 MOSFET结构比较

为了理解IGBT进入退饱和的过程机理，我们有必要简单比较下MOSFET和IGBT结构上的区别：简单来看，IGBT在MOSFET的基本结构上增加了一个P+层提供空穴载流子，这样可以和漏极N+区域的电子在基区N-进行电导调制，从而降低IGBT在大电流条件下的导通压降。 IGBT通过其FET结构控制在基区的载流子（电子和空穴），从而控制IGBT的导通和关断。

图1-1 MOSFET结构图

图1-2 IGBT 结构图

1.2 IGBT 和 MOSFET 在对饱和区的定义差别

这里有一个概念需要稍稍澄清下，MOSFET和IGBT关于“饱和区”的定义有一定的差异，其实也可以认为是单载流子器件和双载流子器件的差异。

如图1-3， MOSFET的区域定义：①正向阻断区（也称为截止区，夹断区）； ②恒流区（也称饱和区、有源区、线性放大区）； ③欧姆区（也称为可变电阻区、非饱和区）； ④雪崩击穿区； ⑤反向导通区

如图1-4， IGBT的区域定义：①正向阻断区（截止区）； ②有源区（线性放大区）； ③饱和区； ④雪崩击穿区； ⑤反向阻断区

对于饱和区的定义，两种器件的有一定的差异，主要是由于两种器件的载流子类型和导电方式的不同。 MOSFET作为单载流子器件，参与导电的为电子； IGBT电子和空穴都参与了导电，分为电子电流和空穴电流。

MOSFET 在区域③，电流沟道完全导通，电流受外围电路控制，未能到达饱和状态； 随着电流的增加，VDS电压也增加，VDS>VGE-VGE(th)，沟道被“预夹断”，MOSFET进入区域②，源极N+无法提供更多的电子，IDS电流电流达到饱和状态。

IGBT 饱和区的定义和BJT类似，在区域③，ICE电流不受门级信号的控制（类似于BJT集电极电流不受基极电流控制），由外围电路阻抗决定； 随着电流的增加，进入区域②以后，IGBT的门级能够控制去N-区域复合的电子，从而控制ICE电流，称为线性区。

从特性曲线上看，在一定的门级电压条件下，ICE电流上升到一定大小，出现了明显的“拐点”，该拐点即是IGBT的退饱和点； 在拐点左侧IGBT进入“饱和区”，在拐点右侧IGBT进入“线性区”，IGBT由饱和区进入线性区，我们称为“退饱和”。

图1-3 MOSFET 特性曲线

图1-4 IGBT 特性曲线

1.3 IGBT 退饱和过程和保护

退饱和的半导体机理可以简单等效为MOSFET部分的门级的“预夹断”。 如图1-5所示，随着电流的增加，MOSFET的导电沟道关闭，导电通道阻抗迅速增加，IGBT进入退饱和，VCE电压迅速增加。

这里需要注意的是，“预夹断”并不等同于沟道关闭。 在预夹断之前，沟道内的载流子不受门级的控制，外围电路对集电极电流ICE起到控制作用。 当门极电压Vge≥Vge(th)，且Vce>Vge-Vge(th)时，进入退饱和区域以后，此时流入到N-基区的电子电流In受到门极电压的控制，进而限制了IGBT内部PNP晶体管的基极电流，最终空穴电流Ip也受到限制，因此该区域的IGBT集电极电流Ic会进入“线性区”。

进入“线性区”后，IGBT的Vce电压迅速上升，利用该特性，可以设计退饱和检测电路。 如图1-6所示，当VCE电压迅速升高二极管Ddesat截止，DESAT电压被充电到阈值电压，从而触发驱动芯片对IGBT进行关断。

图 1-5 IGBT等效电路

图 1-6 DESAT检测电路

2、电感短路和直通短路

2.1 短路类型

在实际应用过程中，IGBT的负载往往是感性负载。 随着短路电感大小的不同，IGBT的短路波形也会存在明显的区别。 如果短路回路中电感很小，那么母线电压VDC直接加到IGBT两端，我们称为“一类短路”。 如图2-1，IGBT不存在一个导通过程，直接进入退饱和状态。

如果短路回路中存在一定感值的电感，那么母线电压压降会落在电感两端，电流呈现一定斜率的线性规律增加，到达一定的值后IGBT进入退饱和，这时候才会将电感上的电压“抢”到IGBT两端。 如图2-2，可以说电感上的电压比较“软”，很容易就被IGBT抢过来。

图2-1 IGBT的一类短路波形

图2-2 IGBT的二类短路波形

2.2 桥臂直通短路

一般我们在实施一类短路测试的时候，通常会在对管（陪测管）并联“粗短铜排”。 一方面，短路掉对管，排除对管开关动作对被测管的影响，更能准确的评估测试管的特性； 另外一方面，可以利用对管的二极管进行续流，防止测试过程中反压导致测试管的击穿。

在实际应用中，桥臂直通短路通常是在两个管子都开启了DESAT保护功能进行的。 桥臂直通（忽略回路电感），上下管的IGBT具有相同的电流，如果上下管IGBT特性一致，两个管子应该将各自承受一半的母线电压。

对于模块封装形式的IGBT，由于内部Layout的关系，很难做到上下管的对称封装结构。 以HPDriver 为例（图2-3），红色为上管电流路径，绿色为下管电流路径。 由于存在三个IGBT Chip并联，下管电流的等效电阻要大于上管电流的等效电阻。 因此在上下管晶圆上存在分压不均的问题，下管的分压要大于上管。 如果在相同的DESAT电路参数条件下，下管始终优先触发保护。

如图2-4，下桥IGBT保持开启，断开驱动互锁信号，上桥实施短路。 VCE电压在短路器件始终未能抬升，这部分电压被下管IGBT“抢走”了，并且很快下管进入DESAT保护，限制短路电流的进一步增加（即使这时候还没有到上管触发DESAT保护），而上管的DESAT触发信号就比下管慢了很多。

从这个角度看，双保险的DESAT保护能够快速对短路进行响应，对桥臂直通短路的保护是有利的。

图 2-3 HPD IGBT内部

图2-4 上桥直通短路波形