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在設計功(gong)率(lv)電路(lu)中(zhong)，飽(bao)和和退飽(bao)和是(shi)非常重要的概念(nian)(nian)，搞清這些概念(nian)(nian)是(shi)可靠設計驅動(dong)保護電路(lu)的關(guan)鍵。今天就來探(tan)討(tao)一下退飽(bao)和現象的產生原理，以(yi)及由此引發的IGBT安全工作(zuo)區概念(nian)(nian)。

基本概(gai)念

圖1 IGBT產品典型輸出特性曲線

如上圖，是(shi)IGBT產品典型的輸(shu)出特性曲線(xian)，橫軸是(shi)C，E兩端電壓，縱軸是(shi)歸(gui)一化的集(ji)電極(ji)電流。可以看到IGBT工作(zuo)狀態分為三(san)個部分：

1、截止區：GE間電(dian)(dian)(dian)壓小于一(yi)個門檻電(dian)(dian)(dian)壓，即背面(mian)PN節的開(kai)啟電(dian)(dian)(dian)壓時，IGBT背面(mian)PN結截止，無電(dian)(dian)(dian)流流動

2、飽(bao)和區(qu)：GE間電(dian)壓(ya)大(da)于門檻電(dian)壓(ya)后，電(dian)流開始流動，GE間電(dian)壓(ya)隨著集電(dian)極電(dian)流(liu)上升(sheng)而線性上升(sheng)，這個區域(yu)稱為飽(bao)和區。因為IGBT飽和(he)電壓(ya)較低，因(yin)此我們(men)希望IGBT工作在飽和區域。

3、線性區：隨著GE間電(dian)壓繼(ji)續上升，電(dian)流進一步增大。到一定(ding)臨界點后(hou)，GE電壓迅速增(zeng)大，而集(ji)電極(ji)電流(liu)并不(bu)隨之(zhi)增(zeng)長。這時我們稱IGBT退出了飽和區。在這個區間(jian)內，IGBT損耗(hao)增加，發熱嚴重，是需要避免(mian)的(de)工作狀態。

為什么IGBT會發(fa)生退飽和現象？

這要(yao)從IGBT的平(ping)面結構說起。IGBT和MOSFET有(you)類似的器件結(jie)構，MOS中的漏極D相當(dang)于IGBT的集電極C，而(er)MOS的(de)源極(ji)S相當于IGBT的發射極E，二者都會發生(sheng)退飽和現象。下圖所(suo)示是一個簡化平面(mian)型IGBT剖面圖(tu)，以此來闡述退飽和發生的原(yuan)因。柵極施加一(yi)個大于閾(yu)值(zhi)的正壓(ya)VGE，則(ze)柵極氧(yang)化(hua)層下方會(hui)出現強反型層，形成導電溝(gou)道。這時如(ru)果給集(ji)電極C施加正壓VCE，則發射(she)極中(zhong)的(de)電子便會在(zai)電場的(de)作(zuo)用下源源不斷地從發射(she)極E流向(xiang)集電極C，而集(ji)電極(ji)中的(de)空(kong)穴則(ze)會(hui)從集(ji)電極(ji)C流向發射(she)極E，這樣電(dian)流(liu)便形成了。這時電(dian)流(liu)隨CE電壓的增長而線性增長，器件工作在(zai)飽(bao)和區。當(dang)CE電壓進一步增大(da)，MOS溝道末的電勢隨著VCE而增長，使得(de)柵極和硅(gui)表(biao)面的(de)(de)電壓(ya)差很小，進而不能維持(chi)硅(gui)表(biao)面的(de)(de)強反(fan)型，這時溝道(dao)出現夾斷現象，電流不再(zai)隨GE電壓的增加而成比例增長。我們稱器(qi)件(jian)退出了飽和(he)區。

(a) 正(zheng)常(chang)工作

 (b) 退(tui)飽和狀態

圖2 典型IGBT剖面圖(tu)

IGBT的安全工作區

第(di)一節(jie)我們講到了(le)IGBT需要(yao)工(gong)作在飽和(he)區(qu)，但是(shi)(shi)，并不是(shi)(shi)所有(you)的飽和(he)區(qu)都(dou)適合IGBT工(gong)作。事實上，IGBT的(de)安(an)全(quan)工作區只占整個輸出特性(xing)曲線(xian)的(de)很小一(yi)部(bu)分，多數器件(jian)標稱的(de)安(an)全(quan)工作區電流在2~4倍額定(ding)電流(liu)之間，如(ru)下圖綠色區域所(suo)示。在這個(ge)區域器(qi)件經過100%的出廠測(ce)試(shi)，可以進行連續(xu)開關操作(zuo)。當然，在安全工作(zuo)區里也并不意味(wei)著(zhu)能隨心所(suo)欲為(wei)所(suo)欲為(wei)，你需要保證連續(xu)工作(zuo)時IGBT結溫不(bu)超最大(da)限制，你(ni)需要保(bao)證關(guan)斷(duan)時(shi)電壓尖峰不(bu)超額定(ding)電壓，你(ni)還需要保(bao)證選擇的(de)門極(ji)電阻不(bu)能(neng)太(tai)小，以免引(yin)起震(zhen)蕩，也(ye)不(bu)能(neng)太(tai)大(da)，以免增加損耗(hao)，以及(ji)其它等(deng)等(deng)注意事項。

圖3 IGBT工作區(qu)定義

如果器(qi)件的(de)(de)(de)電流(liu)(liu)在超過了安全(quan)工作區所定義的(de)(de)(de)電流(liu)(liu)，即使它仍(reng)然(ran)處于飽和狀態(tai)(tai)，即上圖中(zhong)的(de)(de)(de)紅(hong)色(se)區域(yu)(yu)，這時(shi)關斷器(qi)件仍(reng)然(ran)是有風險的(de)(de)(de)！是器(qi)件禁止進入的(de)(de)(de)工作狀態(tai)(tai)。此時(shi)，必須使器(qi)件電路(lu)降回到安全(quan)工作區電流(liu)(liu)，或者使器(qi)件退飽和，即進入上圖所示(shi)黃色(se)區域(yu)(yu)的(de)(de)(de)短(duan)路(lu)工作區，在特定的(de)(de)(de)短(duan)路(lu)時(shi)間內，才(cai)可以安全(quan)關斷。

那么如果器件(jian)一直工作在飽和區(qu)(qu)，雖然電流(liu)超過了(le)安全工作區(qu)(qu)，但是仍低(di)于短(duan)路電流(liu)，比如落(luo)在圖(tu)3中的紫色區域中，這時候能不(bu)(bu)能安(an)全(quan)關(guan)斷(duan)呢？答案(an)依然是否(fou)定的。只(zhi)要(yao)(yao)器件(jian)電流超出了(le)安(an)全(quan)工作區，但又沒有(you)進入短路安(an)全(quan)工作區，就請不(bu)(bu)要(yao)(yao)關(guan)斷(duan)！不(bu)(bu)要(yao)(yao)關(guan)斷(duan)！不(bu)(bu)要(yao)(yao)關(guan)斷(duan)！

在(zai)實際應(ying)用中，退(tui)飽和(he)現象(xiang)一(yi)般(ban)發生在(zai)器件短(duan)路(lu)時，但(dan)是退(tui)飽和(he)區只能有(you)一(yi)小部(bu)分作為短(duan)路(lu)安全工(gong)作區。這時CE電壓(ya)上升到母線電壓(ya)，電流一般(ban)是額定電流的4~8倍（見各(ge)器件(jian)規(gui)格(ge)書），功率異常(chang)增大，結溫急劇上(shang)升，不及時關斷(duan)器件(jian)就(jiu)有(you)可能燒毀器件(jian)。多數IGBT有一(yi)定的短路(lu)承受時間，一(yi)般在(zai)10us之內(nei)，具體參見各產品規格書。

從器件輸出(chu)(chu)曲線可以看出(chu)(chu)，隨著門極電(dian)壓的上(shang)升，短(duan)(duan)路(lu)電(dian)流也(ye)急劇上(shang)升，因(yin)此規格書承諾的短(duan)(duan)路(lu)能力(li)一般都建立在特定的門極電(dian)壓基礎上(shang)，一般是15V。因(yin)此圖(tu)3所示的短路安(an)全工作區(qu)門極電壓限(xian)制在15V以下(xia)。

以IKW25N120T2為例，在門極電(dian)壓VGE=15V，母線電壓(ya)600V，器件結溫小于175℃的情況下，器(qi)件有最多10us的短路時間。在(zai)10us之內，器件可(ke)以被安(an)全的關斷(duan)。