有問題上知乎，英飛凌帶您解鎖電子電力學寶庫

QUESTION 1

這是一個很基礎的問題，有31個回答，按照默認排序，英飛凌的工程師帖子排第一，英飛凌工程師的帖子以最簡單通俗的語言展開話題，吸引了8萬不同背景的讀者，在眾多網友的參與下，問題趨向專業，回答詳細，打印出來有61頁A4紙。

英飛凌工程師答：

IGBT是一個超級電子開關，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6500V。我們一般家庭里家用電器全部開啟最大電流也不會超過30A，而一顆指甲蓋大小的IGBT芯片就能流過約200A的電流!

下圖是安裝在基板上的4個IGBT芯片和4個二極管芯片。

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產品。

有的外殼里只有一顆IGBT芯片，有的可能會十幾顆，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到3600A！

路圖中的IGBT我們一般用下圖來表示，G表示門極gate，它用來接收指令。C表示集電極collector，E表示發射極emitter，集電極和發射極用來導通電流。平時IGBT是截止的，一旦門極接收到一個開通指令，電流就會源源不斷地從集電極到發射極之間流過。

就好比你家里墻上的開關，按一下，開關閉合，電燈亮起；再按一下，電燈熄滅。

當然，操作IGBT，不再是手，而是電子脈沖。

高電平來臨時，器件開通；低電平來臨時，器件就關斷。

手動操作開關，可能一秒鐘一兩次，而我們的電子開關，一秒鐘可以開關上萬次，幾十萬次！這就是我們需要電子開關，也就是功率器件的原因。

QUESTION 2

這是一個很專業的問題，只有使用IGBT的工程師才會感興趣，有8個回答，按照默認排序，英飛凌的工程師帖子排第一，專業的回答吸引了4萬專業背景的讀者。8個回答代表的網友的自己的理解，有些認識不盡正確，但代表的思考問題的思路。

英飛凌工程師答：

如下圖，是IGBT產品典型的輸出特性曲線，橫軸是C，E兩端電壓，縱軸是歸一化的集電極電流?？梢钥吹絀GBT工作狀態分為三個部分：

1、關斷區：CE間電壓小于一個門檻電壓，即背面PN結的開啟電壓，IGBT背面PN結截止，無電流流動

2、飽和區：CE間電壓大于門檻電壓后，電流開始流動，CE間電壓隨著集電極電流上升而線性上升，這個區域稱為飽和區。因為IGBT飽和電壓較低，因此我們希望IGBT工作在飽和區域。

3、線性區：隨著CE間電壓繼續上升，電流進一步增大。到一定臨界點后，CE電壓迅速增大，而集電極電流并不隨之增長。這時我們稱IGBT退出了飽和區。在這個區間內，IGBT損耗增加，發熱嚴重，是需要避免的工作狀態。

圖1.IGBT產品典型輸出特性曲線

這要從IGBT的平面結構說起。IGBT和MOSFET有類似的器件結構，MOS中的漏極D相當于IGBT的集電極C，而MOS的源極S相當于IGBT的發射極E，二者都會發生退飽和現象。下圖所示是一個簡化平面型IGBT剖面圖，以此來闡述退飽和發生的原因。柵極施加一個大于閾值的正壓VGE，則柵極氧化層下方會出現強反型層，形成導電溝道。這時如果給集電極C施加正壓VCE，則發射極中的電子便會在電場的作用下源源不斷地從發射極E流向集電極C，而集電極中的空穴則會從集電極C流向發射極E，這樣電流便形成了。這時電流隨CE電壓的增長而線性增長，器件工作在飽和區。當CE電壓進一步增大，MOS溝道末的電勢隨著VCE而增長，使得柵極和硅表面的電壓差很小，進而不能維持硅表面的強反型，這時溝道出現夾斷現象，電流不再隨CE電壓的增加而成比例增長。我們稱器件退出了飽和區。

第一節我們講到了IGBT需要工作在飽和區，但是，并不是所有的飽和區都適合IGBT工作。事實上，IGBT的安全工作區只占整個輸出特性曲線的很小一部分，多數器件標稱的安全工作區電流在2~4倍額定電流之間，如下圖綠色區域所示。在這個區域器件經過100%的出廠測試，可以進行連續開關操作。當然，在安全工作區里也并不意味著能隨心所欲為所欲為，你需要保證連續工作時IGBT結溫不超最大限制，你需要保證關斷時電壓尖峰不超額定電壓，你還需要保證選擇的門極電阻不能太小，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。

圖3.IGBT工作區定義

如果器件的電流在超過了安全工作區所定義的電流，即使它仍然處于飽和狀態，即上圖中的紅色區域，這時關斷器件仍然是有風險的！是器件禁止進入的工作狀態。此時，必須使器件電路降回到安全工作區電流，或者使器件退飽和，即進入上圖所示黃色區域的短路工作區，在特定的短路時間內，才可以安全關斷。

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

在實際應用中，退飽和現象一般發生在器件短路時，但是退飽和區只能有一小部分作為短路安全工作區。這時CE電壓上升到母線電壓，電流一般是額定電流的4~8倍（見各器件規格書），功率異常增大，結溫急劇上升，不及時關斷器件就有可能燒毀器件。多數IGBT有一定的短路承受時間，一般在10us之內，具體參見各產品規格書。

從器件輸出曲線可以看出，隨著門極電壓的上升，短路電流也急劇上升，因此規格書承諾的短路能力一般都建立在特定的門極電壓基礎上，一般是15V。因此圖3所示的短路安全工作區門極電壓限制在15V以下。

以IKW25N120T2為例，在門極電壓VGE=15V，母線電壓600V，器件結溫小于175℃的情況下，器件有最多10us的短路時間。在10us之內，器件可以被安全的關斷。

因此可以通過設計實現驅動電路精確快速的短路保護電路，從而保護IGBT在發生短路后進行可靠關斷。

QUESTION 3

這是一個會思考的工程師提出的問題，有9個回答，按照默認排序，英飛凌的工程師帖子排第一，專業的回答吸引了1.5萬專業背景的讀者。一位網友回答中推薦了一篇關于功率半導體電流測量的英文文獻，拓展了話題。

英飛凌工程師解答：

概括來說，驅動電流過大，對IGBT的電容充電速度加快，導致IGBT開通速度加快，使得驅動回路產生較大的di/dt在寄生電感作用下易產生柵極電壓振蕩，當柵極振蕩的電壓尖峰超過IGBT本身Vge的spec，易造成IGBT失效。下文我們將詳細講解IGBT驅動電流行為。

IGBT是一種電壓驅動的電子開關，正常情況下只要給15V電壓就可以飽和導通，實際器件的驅動是給柵極端口電容充放電，還是需要電流的。IGBT驅動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。

驅動的峰值電流很好理解，按照歐姆定律，由驅動電壓和驅動電阻決定：

但在小阻值驅動回路中，實際測得驅動電流一般比上述公式計算值要小，原因是驅動回路中還有雜散電感存在，因此電流峰值一般為計算值的70%。

如果柵極存在振蕩，而且是低阻尼振蕩的話，驅動電流會大于計算值，這在驅動電路設計中要考慮到。

先看一個實測的例子，結果可能出乎你意料，電感大，開通損耗低。

圖中給出了一個實驗測量結果。該實驗中，比較了6cm和18cm長的雙絞驅動線下的IGBT動態特性，長線18cm，驅動電感LG大，但開通損耗Eon降低了約31mJ。

這是為什么呢？當將驅動連接到IGBT柵極時，不可避免地會存在寄生電感，且寄生電感與柵極電阻串聯。這個寄生電感包括引線電感(無論這種連接是線纜或是電路板上的走線)，柵極電阻自身電感和與模塊柵極結構的電感。

柵極引線電感對IGBT開通關斷過程的影響如下圖所示。引線電感越大，IGBT開通的di/dt和dv/dt越大。然而，關斷時開關速度保持不變，但有延遲。

如何解釋這一現象呢？電感特性就是阻止電流變化，在電感中電流不能突變，就是說最初時寄生電感阻礙著柵極電容充電，一旦達到最大柵極電流，電感就趨向維持這個電流，釋放電感中的能量，就像一個電流源一樣為IGBT的柵極電容充電，所以驅動電流是增加的，開通損耗降低。

實驗發現只有在正負電源驅動中，如-15V/15V驅動的開通過程中才會出現這種現象，單電源，如0V/15V驅動的開通只會延遲，開關速度沒變，開通損耗沒有降低。這又是為什么呢？

對于IGBT，當柵極電壓達到閥值電壓UGE(TO)之前，它是關斷的。在柵極電壓為0V/15V的驅動器中，如果增加柵極引線電感，一般柵極電壓超過UGE(TO)后柵極電流才達到最大值。在這種情況下，離開密勒平臺后，才會有儲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到15V，這時有點晚了，只會產生開通延遲，不會對開通速度產生影響。

在-15V/15V的柵極電壓下，情況不同，在柵極電壓即將達到UGE(TO)時，柵極電流已經達到最大，存儲在寄生電感中的能量加快了IGBT開通速度，當然也產生開通延遲。

這里講的是實際的驅動電流，不是驅動器輸出電流能力。設計驅動電流就是選柵極電阻值，驅動電流大就意味著減小柵極電阻Rg，要使得開關損耗最低，要找到電路不振蕩的臨界值。

含寄生參數的驅動電路，主要關注驅動線的電感，在這里只研究它對振蕩臨界值的影響。

在開通和關斷時，假設IGBT的內部電容CGE恒定，寄生電感LG和獨立的引線電感LGon與LGoff由二階RLC電路的微分方程推導確定,即：

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

求解上述微分方程得出Ipeak為：

式中，e為自然對數，e=2.71828。

同時可以得到柵極路徑中不會引起振蕩的最小柵極電阻RG,min為：

式中，∑LG為柵極負載電感總和(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，IGBT開通過快，一方面造成二極管的反向恢復損耗增加，甚至會導致續流二極管會發生跳變行為（snap-off），從而引起振蕩，還有可能損壞二極管。

上圖解讀：開通過程中,由于柵極雜散電感太高（Rg電阻沒有為此選很大時）導致二極管振蕩并超出SOA(1.7kV IGBT模塊)

舉個數值例子：

如果驅動為+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：

如果設計中柵極電阻取值小于1.63歐姆，驅動電路就會振蕩，如果在這一臨界值上電路不振蕩，那么驅動電流峰值為：

如果增加柵極電阻，寄生電感參數影響變小，系數0.74會接近1.0。

1. 理解IGBT驅動電流很重要；

2. IGBT驅動線長，開通損耗可能降低；

3. 驅動設計時需要選取合適的驅動電流，太小驅動能力不足，增加功率器件損耗，太大可能引起開通振蕩。