浅谈门级驱动电压对IGBT性能的影响

绝缘门极双极型晶体管（IGBT）是复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好、驱动电路简单、饱和压降低、耐压高电流大等优点，因此现今应用相当广泛。但是IGBT良好特性的发挥往往因其门级驱动电路上的不合理，制约着IGBT的推广及应用。

 

无论是MOSFET还是IGBT，都是受门极控制的器件。在相同电流的条件下，一般门极电压用得越高，导通损耗越小。因为门极电压越高意味着沟道反型层强度越强，由门极电压而产生的沟道阻抗越小，流过相同电流的压降就越低。不过器件导通损耗除了受这个门极沟道影响外，还和芯片的厚度有很大的关系，一般越薄的导通损耗越小，所以同等芯片面积下宽禁带的器件导通损耗要小得多。而相同材料下耐压越高的器件就会越厚，导通损耗就会变大。这种由芯片厚度引起的导通损耗不受门极电压影响，所以器件耐压越高，门极电压即使进一步增大对导通损耗贡献是有限的。门极的正压对降低开关损耗也是有帮助的。因为开通的过程相当于一个对门极电容充电的过程，初始电压越大，充电越快，一般来说开通损耗越小。而关断损耗则受门极负压影响，几乎不受门极正电压影响。
 

凡事有得有失，虽然门极电压高对导通损耗和开通损耗都好，但是会牺牲短路性能。下式为MOSFET短路电流的理论公式，IGBT短路行为与MOSFET类似。式中μn为电子的迁移速率，Cox为单位面积栅氧化层电容，W/L为氧化层宽长比，Vgs为驱动正电压，Vth为门极阈值电压。从式中可以看出，门极正电压越大，电流会明显上升。
 

 

比如IGBT在门极电压15V下有10μs的短路能力，但在门极16V时，短路能力会下降到7μs不到。

 

无论对IGBT还是SiC MOSFET来说，使用的门极正电压越高，导通损耗和开通损耗都会降低，对整体开关效率有利。但是会影响器件的短路耐受能力。如果在使用SiC MOSFET时不需要短路能力的话，建议适当提高门极的正电压。