为什么IGBT会发生退饱和现象？

IGBT--退饱和问题

IGBT--退饱和问题

这是某产品输出特性曲线，可以看到IGBT工作区分为三个部分：

1、截止区：CE间电压小于0.7V，IGBT背面PN结截止，无电流流动。

2、饱和区：CE间电压大于0.7V，电流开始流动，CE间电压随着集电极电流上升而线性上升。这是IGBT希望的工作状态。

3、放大区：随着CE间电压继续上升，电流进一步增大。到一定临界点后，CE电压迅速增大，而集电极电流并不随之增长。这时我们称IGBT退出了饱和区。

为什么IGBT会发生退饱和现象?

这要从IGBT的平面结构说起。IGBT和MOSFET有类似的器件结构，MOS中的漏极D相当于IGBT的集电极C，而MOS的源极S相当于IGBT的发射极E，二者都会发生退饱和现象。下图所示是一个简化的MOS剖面图，以此来阐述退饱和发生的原因。栅极施加一个大于阈值的正压VGS，则栅极氧化层下方会形成导电沟道，这时如果给漏极D施加正压VDS，则源极中的电子便会在电场的作用下源源不断地从漏极D流向源极S，这样电流便形成了，这时电流随DS电压的增长而线性增长。随着DS电压的增大，使得栅极和硅表面的电压差很小而不能维持硅表面的强反型，沟道出现夹断现象，电流不再随DS电压的增加而成比例增长。

正常工作

退饱和状态

那么在应用中，退饱和现象会有什么危害呢?

在实际应用中，退饱和现象一般发生在器件短路时，这时CE电压上升到母线电压，电流一般是额定电流的4倍(见各器件规格书)，功率异常增大，结温急剧上升，不及时关断器件就有可能烧毁器件。多数IGBT有一定的短路承受能力，一般在10us之内，具体参见各产品规格书。

遇到退饱和现象怎么办

1、最简单的办法：监测电流，电流超过一定的阈值后驱动器报错，关断IGBT。这种方法本质上是过流检测，无法将过流与退饱和相区分。

2、检测器件的CE电压。IGBT正常工作时CE电压很低，一般在1V到3V之间，而IGBT发生退饱和之后CE电压会迅速上升。退饱和检测电路事先设定一个阈值电压，比如9V，当CE间电压超过9V时，驱动芯片报错，关断IGBT。目前多数驱动芯片厂商都推出了集成了退饱和检测功能的芯片，只需要简单的外围电路即可实现。下面是一个典型的退饱和检测电路(图中功率器件为MOSFET，换成IGBT通用)。驱动芯片内置一个500uA恒流源，器件正常工作时压降很低，500uA的电流流过功率器件;当器件退饱和后压降急剧升高，二极管DDESAT截止，500uA电流只能向电容CDESAT充电，当CDESAT上的电压超过9V时，芯片内部比较器翻转，逻辑电路报错。

退饱和关断时注意什么

因为在退饱和状态下器件电流非常大，如果不加限制地关断IGBT，会产生很大的di/dt，施加在回路的寄生电感上就会感应出很高的CE电压，如果这个电压高于器件额定电压，那么IGBT就有可能损坏。我们有两种手段来控制关断时的电压尖峰

1、软关断：当驱动器检测到短路时，软关断功能不是将IGBT的栅极电压直接转换成0V或者相应的负压，而是利用一个相对较大的电阻，通过它给栅射之间的电容Cge放电，从而降低IGBT的关断速度，避免产生过电压。一旦栅极电压降低到某个值(如2V)，大电阻就会被一个小电阻取代，这样可以确保快速而完全地给栅射电容Cge放电。

2、有源钳位：有源钳位的基本原理如图a所示，只要集电极处的电位超过了某一特定电压临界值UCE，且这个电压高于二极管VD1的雪崩电压，电流I1流过D1,D2,RG和T2， 如果RG上的电流大于IGBT的阈值电压Vth，则IGBT再次开通，关断过程减慢，从而集电极电压得到抑制。这种方法对TVS管的要求较高，且会增大栅极-集电极之间的电容，因此实际中经常采用会把信号反馈到栅极放大器的推挽前级，如图所示。

审核编辑：汤梓红