"英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體"公眾號(hào)，一份專(zhuān)注于功率半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)的電子報(bào)刊，每當(dāng)您在閱讀時(shí)遇到疑問(wèn)或產(chǎn)生獨(dú)到見(jiàn)解，歡迎您加入我們的知乎英飛凌官方社區(qū)。在那里，我們和業(yè)內(nèi)工程師，共同探討、解答您的疑惑。

為了激發(fā)更多的討論與啟發(fā)，我們精選并轉(zhuǎn)載了三個(gè)熱門(mén)問(wèn)題，同時(shí)，在文末，我們還特別列出了閱讀量超過(guò)萬(wàn)次的20個(gè)精彩問(wèn)題，供您深入探索與交流。

QUESTION 1

IGBT基本工作原理及IGBT的作用是什么?

這是一個(gè)很基礎(chǔ)的問(wèn)題，有31個(gè)回答，按照默認(rèn)排序，英飛凌的工程師帖子排第一，英飛凌工程師的帖子以最簡(jiǎn)單通俗的語(yǔ)言展開(kāi)話(huà)題，吸引了8萬(wàn)不同背景的讀者，在眾多網(wǎng)友的參與下，問(wèn)題趨向?qū)I(yè)，回答詳細(xì)，打印出來(lái)有61頁(yè)A4紙。

英飛凌工程師答：

IGBT是一個(gè)超級(jí)電子開(kāi)關(guān)，它能耐受超高電壓。

我們家中插座里的市電交流電電壓是220V，而薄如紙張的IGBT芯片能承受的電壓最高可達(dá)6500V。我們一般家庭里家用電器全部開(kāi)啟最大電流也不會(huì)超過(guò)30A，而一顆指甲蓋大小的IGBT芯片就能流過(guò)約200A的電流!

下圖是安裝在基板上的4個(gè)IGBT芯片和4個(gè)二極管芯片。

但是，像這樣裸露的芯片是不能直接用的。我們需要把芯片再封裝到一個(gè)外殼里面，外殼中再填充絕緣的材料，把芯片的電極引到外端子上，就形成了能夠使用的IGBT產(chǎn)品。

有的外殼里只有一顆IGBT芯片，有的可能會(huì)十幾顆，二十幾顆芯片。于是，就形成了各種各樣的IGBT單管和模塊。單管封裝的IGBT的最大電流在100A左右，IGBT模塊的最大額定電流可以達(dá)到3600A！

路圖中的IGBT我們一般用下圖來(lái)表示，G表示門(mén)極gate，它用來(lái)接收指令。C表示集電極collector，E表示發(fā)射極emitter，集電極和發(fā)射極用來(lái)導(dǎo)通電流。平時(shí)IGBT是截止的，一旦門(mén)極接收到一個(gè)開(kāi)通指令，電流就會(huì)源源不斷地從集電極到發(fā)射極之間流過(guò)。

就好比你家里墻上的開(kāi)關(guān)，按一下，開(kāi)關(guān)閉合，電燈亮起；再按一下，電燈熄滅。

當(dāng)然，操作IGBT，不再是手，而是電子脈沖。

高電平來(lái)臨時(shí)，器件開(kāi)通；低電平來(lái)臨時(shí)，器件就關(guān)斷。

手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)，可能一秒鐘一兩次，而我們的電子開(kāi)關(guān)，一秒鐘可以開(kāi)關(guān)上萬(wàn)次，幾十萬(wàn)次！這就是我們需要電子開(kāi)關(guān)，也就是功率器件的原因。

QUESTION 2

什么是IGBT的退飽和（desaturation）？

什么情況下IGBT會(huì)進(jìn)入退飽和狀態(tài)？

這是一個(gè)很專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題，只有使用IGBT的工程師才會(huì)感興趣，有8個(gè)回答，按照默認(rèn)排序，英飛凌的工程師帖子排第一，專(zhuān)業(yè)的回答吸引了4萬(wàn)專(zhuān)業(yè)背景的讀者。8個(gè)回答代表的網(wǎng)友的自己的理解，有些認(rèn)識(shí)不盡正確，但代表的思考問(wèn)題的思路。

英飛凌工程師答：

如下圖，是IGBT產(chǎn)品典型的輸出特性曲線(xiàn)，橫軸是C，E兩端電壓，縱軸是歸一化的集電極電流。可以看到IGBT工作狀態(tài)分為三個(gè)部分：

1、關(guān)斷區(qū)：CE間電壓小于一個(gè)門(mén)檻電壓，即背面PN結(jié)的開(kāi)啟電壓，IGBT背面PN結(jié)截止，無(wú)電流流動(dòng)

2、飽和區(qū)：CE間電壓大于門(mén)檻電壓后，電流開(kāi)始流動(dòng)，CE間電壓隨著集電極電流上升而線(xiàn)性上升，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為飽和區(qū)。因?yàn)镮GBT飽和電壓較低，因此我們希望IGBT工作在飽和區(qū)域。

3、線(xiàn)性區(qū)：隨著CE間電壓繼續(xù)上升，電流進(jìn)一步增大。到一定臨界點(diǎn)后，CE電壓迅速增大，而集電極電流并不隨之增長(zhǎng)。這時(shí)我們稱(chēng)IGBT退出了飽和區(qū)。在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，IGBT損耗增加，發(fā)熱嚴(yán)重，是需要避免的工作狀態(tài)。

圖1.IGBT產(chǎn)品典型輸出特性曲線(xiàn)

為什么IGBT會(huì)發(fā)生退飽和現(xiàn)象？

這要從IGBT的平面結(jié)構(gòu)說(shuō)起。IGBT和MOSFET有類(lèi)似的器件結(jié)構(gòu)，MOS中的漏極D相當(dāng)于IGBT的集電極C，而MOS的源極S相當(dāng)于IGBT的發(fā)射極E，二者都會(huì)發(fā)生退飽和現(xiàn)象。下圖所示是一個(gè)簡(jiǎn)化平面型IGBT剖面圖，以此來(lái)闡述退飽和發(fā)生的原因。柵極施加一個(gè)大于閾值的正壓VGE，則柵極氧化層下方會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反型層，形成導(dǎo)電溝道。這時(shí)如果給集電極C施加正壓VCE，則發(fā)射極中的電子便會(huì)在電場(chǎng)的作用下源源不斷地從發(fā)射極E流向集電極C，而集電極中的空穴則會(huì)從集電極C流向發(fā)射極E，這樣電流便形成了。這時(shí)電流隨CE電壓的增長(zhǎng)而線(xiàn)性增長(zhǎng)，器件工作在飽和區(qū)。當(dāng)CE電壓進(jìn)一步增大，MOS溝道末的電勢(shì)隨著VCE而增長(zhǎng)，使得柵極和硅表面的電壓差很小，進(jìn)而不能維持硅表面的強(qiáng)反型，這時(shí)溝道出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，電流不再隨CE電壓的增加而成比例增長(zhǎng)。我們稱(chēng)器件退出了飽和區(qū)。

(a) 正常工作

(b) 退飽和狀態(tài)

圖2.典型IGBT剖面圖

IGBT的安全工作區(qū)

第一節(jié)我們講到了IGBT需要工作在飽和區(qū)，但是，并不是所有的飽和區(qū)都適合IGBT工作。事實(shí)上，IGBT的安全工作區(qū)只占整個(gè)輸出特性曲線(xiàn)的很小一部分，多數(shù)器件標(biāo)稱(chēng)的安全工作區(qū)電流在2~4倍額定電流之間，如下圖綠色區(qū)域所示。在這個(gè)區(qū)域器件經(jīng)過(guò)100%的出廠測(cè)試，可以進(jìn)行連續(xù)開(kāi)關(guān)操作。當(dāng)然，在安全工作區(qū)里也并不意味著能隨心所欲為所欲為，你需要保證連續(xù)工作時(shí)IGBT結(jié)溫不超最大限制，你需要保證關(guān)斷時(shí)電壓尖峰不超額定電壓，你還需要保證選擇的門(mén)極電阻不能太小，以免引起震蕩，也不能太大，以免增加損耗，以及其它等等注意事項(xiàng)。

圖3.IGBT工作區(qū)定義

如果器件的電流在超過(guò)了安全工作區(qū)所定義的電流，即使它仍然處于飽和狀態(tài)，即上圖中的紅色區(qū)域，這時(shí)關(guān)斷器件仍然是有風(fēng)險(xiǎn)的！是器件禁止進(jìn)入的工作狀態(tài)。此時(shí)，必須使器件電路降回到安全工作區(qū)電流，或者使器件退飽和，即進(jìn)入上圖所示黃色區(qū)域的短路工作區(qū)，在特定的短路時(shí)間內(nèi)，才可以安全關(guān)斷。

那么如果器件一直工作在飽和區(qū)，雖然電流超過(guò)了安全工作區(qū)，但是仍低于短路電流，比如落在圖3中的紫色區(qū)域中，這時(shí)候能不能安全關(guān)斷呢？答案依然是否定的。只要器件電流超出了安全工作區(qū)，但又沒(méi)有進(jìn)入短路安全工作區(qū)，就請(qǐng)不要關(guān)斷！不要關(guān)斷！不要關(guān)斷！

在實(shí)際應(yīng)用中，退飽和現(xiàn)象一般發(fā)生在器件短路時(shí)，但是退飽和區(qū)只能有一小部分作為短路安全工作區(qū)。這時(shí)CE電壓上升到母線(xiàn)電壓，電流一般是額定電流的4~8倍（見(jiàn)各器件規(guī)格書(shū)），功率異常增大，結(jié)溫急劇上升，不及時(shí)關(guān)斷器件就有可能燒毀器件。多數(shù)IGBT有一定的短路承受時(shí)間，一般在10us之內(nèi)，具體參見(jiàn)各產(chǎn)品規(guī)格書(shū)。

從器件輸出曲線(xiàn)可以看出，隨著門(mén)極電壓的上升，短路電流也急劇上升，因此規(guī)格書(shū)承諾的短路能力一般都建立在特定的門(mén)極電壓基礎(chǔ)上，一般是15V。因此圖3所示的短路安全工作區(qū)門(mén)極電壓限制在15V以下。

以IKW25N120T2為例，在門(mén)極電壓VGE=15V，母線(xiàn)電壓600V，器件結(jié)溫小于175℃的情況下，器件有最多10us的短路時(shí)間。在10us之內(nèi)，器件可以被安全的關(guān)斷。

因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路精確快速的短路保護(hù)電路，從而保護(hù)IGBT在發(fā)生短路后進(jìn)行可靠關(guān)斷。

QUESTION 3

IGBT驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大會(huì)怎么樣?

這是一個(gè)會(huì)思考的工程師提出的問(wèn)題，有9個(gè)回答，按照默認(rèn)排序，英飛凌的工程師帖子排第一，專(zhuān)業(yè)的回答吸引了1.5萬(wàn)專(zhuān)業(yè)背景的讀者。一位網(wǎng)友回答中推薦了一篇關(guān)于功率半導(dǎo)體電流測(cè)量的英文文獻(xiàn)，拓展了話(huà)題。

英飛凌工程師解答：

概括來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大，對(duì)IGBT的電容充電速度加快，導(dǎo)致IGBT開(kāi)通速度加快，使得驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生較大的di/dt在寄生電感作用下易產(chǎn)生柵極電壓振蕩，當(dāng)柵極振蕩的電壓尖峰超過(guò)IGBT本身Vge的spec，易造成IGBT失效。下文我們將詳細(xì)講解IGBT驅(qū)動(dòng)電流行為。

IGBT驅(qū)動(dòng)需要電流

IGBT是一種電壓驅(qū)動(dòng)的電子開(kāi)關(guān)，正常情況下只要給15V電壓就可以飽和導(dǎo)通，實(shí)際器件的驅(qū)動(dòng)是給柵極端口電容充放電，還是需要電流的。IGBT驅(qū)動(dòng)電流峰值電流取決于柵極總電阻，電流取決于柵極電荷，但我們一般講的是峰值電流。

驅(qū)動(dòng)的峰值電流很好理解，按照歐姆定律，由驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電阻決定：

但在小阻值驅(qū)動(dòng)回路中，實(shí)際測(cè)得驅(qū)動(dòng)電流一般比上述公式計(jì)算值要小，原因是驅(qū)動(dòng)回路中還有雜散電感存在，因此電流峰值一般為計(jì)算值的70%。

如果柵極存在振蕩，而且是低阻尼振蕩的話(huà)，驅(qū)動(dòng)電流會(huì)大于計(jì)算值，這在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中要考慮到。

柵極電感對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的影響

先看一個(gè)實(shí)測(cè)的例子，結(jié)果可能出乎你意料，電感大，開(kāi)通損耗低。

圖中給出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)中，比較了6cm和18cm長(zhǎng)的雙絞驅(qū)動(dòng)線(xiàn)下的IGBT動(dòng)態(tài)特性，長(zhǎng)線(xiàn)18cm，驅(qū)動(dòng)電感LG大，但開(kāi)通損耗Eon降低了約31mJ。

這是為什么呢？當(dāng)將驅(qū)動(dòng)連接到IGBT柵極時(shí)，不可避免地會(huì)存在寄生電感，且寄生電感與柵極電阻串聯(lián)。這個(gè)寄生電感包括引線(xiàn)電感(無(wú)論這種連接是線(xiàn)纜或是電路板上的走線(xiàn))，柵極電阻自身電感和與模塊柵極結(jié)構(gòu)的電感。

柵極引線(xiàn)電感對(duì)IGBT開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程的影響如下圖所示。引線(xiàn)電感越大，IGBT開(kāi)通的di/dt和dv/dt越大。然而，關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)速度保持不變，但有延遲。

如何解釋這一現(xiàn)象呢？電感特性就是阻止電流變化，在電感中電流不能突變，就是說(shuō)最初時(shí)寄生電感阻礙著柵極電容充電，一旦達(dá)到最大柵極電流，電感就趨向維持這個(gè)電流，釋放電感中的能量，就像一個(gè)電流源一樣為IGBT的柵極電容充電，所以驅(qū)動(dòng)電流是增加的，開(kāi)通損耗降低。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有在正負(fù)電源驅(qū)動(dòng)中，如-15V/15V驅(qū)動(dòng)的開(kāi)通過(guò)程中才會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，單電源，如0V/15V驅(qū)動(dòng)的開(kāi)通只會(huì)延遲，開(kāi)關(guān)速度沒(méi)變，開(kāi)通損耗沒(méi)有降低。這又是為什么呢？

對(duì)于IGBT，當(dāng)柵極電壓達(dá)到閥值電壓UGE(TO)之前，它是關(guān)斷的。在柵極電壓為0V/15V的驅(qū)動(dòng)器中，如果增加?xùn)艠O引線(xiàn)電感，一般柵極電壓超過(guò)UGE(TO)后柵極電流才達(dá)到最大值。在這種情況下，離開(kāi)密勒平臺(tái)后，才會(huì)有儲(chǔ)存在寄生電感中的能量去充柵極電容，使得柵極電壓最終達(dá)到15V，這時(shí)有點(diǎn)晚了，只會(huì)產(chǎn)生開(kāi)通延遲，不會(huì)對(duì)開(kāi)通速度產(chǎn)生影響。

在-15V/15V的柵極電壓下，情況不同，在柵極電壓即將達(dá)到UGE(TO)時(shí)，柵極電流已經(jīng)達(dá)到最大，存儲(chǔ)在寄生電感中的能量加快了IGBT開(kāi)通速度，當(dāng)然也產(chǎn)生開(kāi)通延遲。

驅(qū)動(dòng)電流越大越好嗎？

這里講的是實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電流，不是驅(qū)動(dòng)器輸出電流能力。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電流就是選柵極電阻值，驅(qū)動(dòng)電流大就意味著減小柵極電阻Rg，要使得開(kāi)關(guān)損耗最低，要找到電路不振蕩的臨界值。

振蕩臨界值

含寄生參數(shù)的驅(qū)動(dòng)電路，主要關(guān)注驅(qū)動(dòng)線(xiàn)的電感，在這里只研究它對(duì)振蕩臨界值的影響。

在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，假設(shè)IGBT的內(nèi)部電容CGE恒定，寄生電感LG和獨(dú)立的引線(xiàn)電感LGon與LGoff由二階RLC電路的微分方程推導(dǎo)確定,即：

式中，L為柵極路徑中電感的總和(H)；RG為外部和內(nèi)部柵極電阻的總和(Ω)，iG(t)為隨時(shí)間變化的柵極電流(A)。

求解上述微分方程得出Ipeak為：

式中，e為自然對(duì)數(shù)，e=2.71828。

同時(shí)可以得到柵極路徑中不會(huì)引起振蕩的最小柵極電阻RG,min為：

式中，∑LG為柵極負(fù)載電感總和(LG+LGon或LG+LGoff)(H)。

從公式中可以看出，如果電感LG比較大，相應(yīng)的柵極電阻RG的值也必須增大，以避免振蕩，尤其要注意RGon選值，太小的話(huà)，IGBT開(kāi)通過(guò)快，一方面造成二極管的反向恢復(fù)損耗增加，甚至?xí)?dǎo)致續(xù)流二極管會(huì)發(fā)生跳變行為（snap-off），從而引起振蕩，還有可能損壞二極管。

上圖解讀：開(kāi)通過(guò)程中,由于柵極雜散電感太高（Rg電阻沒(méi)有為此選很大時(shí)）導(dǎo)致二極管振蕩并超出SOA(1.7kV IGBT模塊)

舉個(gè)數(shù)值例子：

如果驅(qū)動(dòng)為+15V,-10V,那么?UGE=25V，柵極回路電感量為20nH，IGBT的輸入電容為30nF，那么：

如果設(shè)計(jì)中柵極電阻取值小于1.63歐姆，驅(qū)動(dòng)電路就會(huì)振蕩，如果在這一臨界值上電路不振蕩，那么驅(qū)動(dòng)電流峰值為：

如果增加?xùn)艠O電阻，寄生電感參數(shù)影響變小，系數(shù)0.74會(huì)接近1.0。

總結(jié)

理解IGBT驅(qū)動(dòng)電流很重要；

IGBT驅(qū)動(dòng)線(xiàn)長(zhǎng)，開(kāi)通損耗可能降低；

驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)需要選取合適的驅(qū)動(dòng)電流，太小驅(qū)動(dòng)能力不足，增加功率器件損耗，太大可能引起開(kāi)通振蕩。