基于載流子抽取模型的Trench Gate/Field-stop IGBT驅(qū)動器有源箝位功能分析

陳玉香，羅皓澤，李武華，何湘寧

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027）

基于載流子抽取模型的Trench Gate/Field-stop IGBT驅(qū)動器有源箝位功能分析

陳玉香，羅皓澤，李武華，何湘寧

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027）

針對Trench gate/Field-stop IGBT結(jié)構(gòu)特有的關(guān)斷過程中集電極電流下降率不可控問題，引入了載流子抽取模型來模擬器件關(guān)斷過程中的集電極電流下降階段器件內(nèi)部載流子的動態(tài)行為特性，并以此為基礎(chǔ)分析了驅(qū)動器為適應(yīng)Trench gate/Field-Stop IGBT結(jié)構(gòu)這種關(guān)斷特性而引入的有源箝位功能的作用機(jī)理，驗(yàn)證了載流子抽取模型在器件級與電路級交互作用分析中的實(shí)用性，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)器件與電路的最佳匹配奠定了基礎(chǔ)。

Trench gate/Field-Stop IGBT；集電極電流下降率；不可控性；載流子抽取模型；有源箝位功能

引言

大功率應(yīng)用場合驅(qū)動IGBT模塊向更高電壓阻斷能力、更低整體損耗的方向發(fā)展。IGBT模塊的結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的穿通PT（punch-through）和非穿通NPT（non-punch-through）結(jié)構(gòu)發(fā)展到目前適應(yīng)于高壓大電流場合的Trench gate/Field-Stop結(jié)構(gòu)［1］。然而不同結(jié)構(gòu)的IGBT模塊，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特性作為器件外部表征的控制因素影響著IGBT模塊對外部電路參數(shù)的響應(yīng)。其中對Trench gate/Field-Stop IGBT結(jié)構(gòu)，由其結(jié)構(gòu)特性決定的關(guān)斷過程中集電極電流下降率的不可控性，使得關(guān)斷過壓問題成為IGBT模塊在大功率應(yīng)用場合中的主要制約因素［2］。目前，大功率IGBT模塊的驅(qū)動器為了適應(yīng)器件的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入了有源箝位功能來抑制器件的關(guān)斷尖峰電壓［3-4］。

1 IGBT關(guān)斷過程的載流子抽取機(jī)理

1.1 載流子抽取機(jī)理

無論何種結(jié)構(gòu)的IGBT模塊，其通態(tài)時都處于一種動態(tài)平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，且該穩(wěn)定狀態(tài)具體體現(xiàn)在以下兩個方面（考慮最基本的PT IGBT結(jié)構(gòu)）：①n--基區(qū)中載流子分布的穩(wěn)定性；②IGBT模塊內(nèi)部電流分布的連續(xù)性，如圖1所示。

圖1 PT IGBT通態(tài)時的電流分布和n--基區(qū)中載流子的分布Fig.1 Current distribution and carrier distribution in the n--base region during the on-state of PT IGBTs

（1）通態(tài)時，n--基區(qū)處于大注入狀態(tài)，電子和空穴在其中形成穩(wěn)定分布的等離子區(qū)（忽略n--基區(qū)中載流子的復(fù)合效應(yīng)），即有

式中：dQn_mos_in為在dt時間內(nèi)由MOS溝道注入n--基區(qū)中的電子電荷；dQn_back_out為在dt時間內(nèi)由n--基區(qū)反向流入p-發(fā)射極中的電子電荷；dQp_emitter_in為在dt時間內(nèi)由p-發(fā)射極注入n--基區(qū)中的空穴電荷；dQp_collected_out為在 dt時間內(nèi)由 p-阱收集的空穴電荷。

IGBT模塊內(nèi)部各處電子電流和空穴電流之和是一個與位置無關(guān)定值，由負(fù)載電流決定（忽略n--基區(qū)中載流子的復(fù)合效應(yīng)），即有

式中；IE、IC分別為IGBT模塊發(fā)射極E、集電極C側(cè)的電流；In_mos、In_am、In_c分別為IGBT內(nèi)部MOS溝道、n--基區(qū)和n--基區(qū)與p-發(fā)射極接口處的電子電流；Ip_collected、Ip_am和 Ip_c分別為 IGBT內(nèi)部 p-阱、n--基區(qū)和n--基區(qū)與p-發(fā)射極接口處的空穴電流。MOS溝道中的電子電流In_mos直接受外電路控制，則柵極電壓vge對In_mos的控制特性描述為

式中：Kp為與器件結(jié)構(gòu)和載流子特性有關(guān)的系數(shù)；Vth為MOS溝道的閾值電壓。

（2）關(guān)斷IGBT模塊時，將外接驅(qū)動電壓由+15 V變?yōu)?10 V的典型操作打破了模塊內(nèi)部在通態(tài)情況下所維持的動態(tài)平衡?？紤]感性負(fù)載下IGBT模塊的關(guān)斷過程，關(guān)斷初期隨著vge的下降，In_mos減小，同時dQn_mos_in也減少；但對于模塊集電極c的一側(cè)，由于感性負(fù)載的箝位作用，相應(yīng)的 In_c、Ip_c、dQn_back_out和dQp_emitter_in均保持不變。 因此IGBT模塊內(nèi)部將偏離其原有的平衡狀態(tài)。但是隨著平衡狀態(tài)的偏離，模塊內(nèi)部會產(chǎn)生自我調(diào)整機(jī)制，出現(xiàn)新的電流產(chǎn)生機(jī)理來彌補(bǔ)MOS溝道電子電流In_mos下降所帶來的影響，這種新的電流產(chǎn)生機(jī)理即為n--基區(qū)中存儲載流子的抽取。具體的載流子抽取過程如圖2所示。

圖2 感性負(fù)載關(guān)斷狀態(tài)下PT IGBT模塊內(nèi)部載流子的抽取Fig.2 Carrier extraction during inductive turn-off process of PT IGBTs

圖中，n--基區(qū)中等離子體邊沿的電子電荷dQn_ex被抽向集電極c一端，與減少的dQn_mos_in一起承擔(dān)n--基區(qū)電子電荷的反向注入dQn_back_out；而等離子體邊沿的空穴電荷dQp_ex被抽向發(fā)射極e一端，形成空穴電流Ip_ex來彌補(bǔ)MOS溝道中電子電流In_mos的減小，以維持總電流的恒定。在載流子抽取機(jī)理的作用下，關(guān)斷過程中，IGBT模塊進(jìn)入一個新的動態(tài)平衡狀態(tài)。

1.2 載流子抽取機(jī)理的結(jié)構(gòu)依賴性

IGBT關(guān)斷過程中，n--基區(qū)中存儲載流子被抽盡的區(qū)域會形成空間電荷區(qū)SCR（space charge region），建立電場，承受端壓。如圖3所示，空間電荷區(qū)內(nèi)電場分布E（y）所圍的面積即為IGBT c、e兩端的電壓vce，即

圖3 在感性負(fù)載關(guān)斷過程中PT IGBT的電場分布和電流分布Fig.3 Field distribution and current distribution during the inductive turn-off process of the PT IGBT

式中：Neff為n--基區(qū)中的有效摻雜；w為空間電荷區(qū)的寬度；εsi為Si材料的介電常數(shù)。

忽略等離子體邊沿載流子的濃度梯度，假設(shè)等離子體邊沿載流子的移除全部由載流子抽取來完成.考慮SCR擴(kuò)展與存儲載流子抽取之間的關(guān)系可知，SCR寬度w的增長速率dw/dt應(yīng)等于電子-空穴等離子體邊沿載流子的抽取速率，即

式中：A為芯片的橫截面積；In_SCR為空間電荷區(qū)中的電子電流，也即為柵極電壓減小后對應(yīng)的MOS溝道電子電流；b為常系數(shù)，等于電子與空穴的遷移率之比；p（w）為等離子體邊沿處載流子的濃度；q為電荷常數(shù)。

在此基礎(chǔ)上來考慮IGBT模塊的結(jié)構(gòu)特性對載流子抽取過程的影響。相比于傳統(tǒng)的平板型PT和NPT IGBT結(jié)構(gòu)，目前流行的Trench gate/Field-stop IGBT結(jié)構(gòu)引入溝槽柵的概念，改變了器件通態(tài)時n--基區(qū)中載流子的分布特性。如圖4所示，區(qū)別于傳統(tǒng)平面柵結(jié)構(gòu)，n--基區(qū)中載流子的分布由集電極c側(cè)向發(fā)射極e側(cè)遞減的特性；溝槽柵結(jié)構(gòu)的IGBT模塊，通態(tài)時，其整個基區(qū)中載流子分布近似常數(shù)且整體濃度高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)［5］。

圖4 通態(tài)時不同IGBT結(jié)構(gòu)基區(qū)中的載流子分布Fig.4 Carrier distribution in the n--base of several IGBT structures during the on-state

由式（6）可知，等離子體邊沿載流子濃度p（w）越高，載流子抽取的速度就越慢，相應(yīng)的SCR寬度w的增長速率dw/dt就越小。結(jié)合式（5）可得，同一時刻下，IGBT c、e兩端的承受的電壓vce就越小，對應(yīng)的電壓上升速率dvce/dt就越低。這樣通過Miller電容Cgc反饋回門級的電流（Cgcdvce/dt）就越小，用來抑制柵極電壓vge下降的阻力就越低。所以對于Trench gate/Field-Stop IGBT結(jié)構(gòu)，其關(guān)斷過程存在有別于傳統(tǒng)平板型IGBT結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。圖5所示為感性負(fù)載下Trench gate/Field-stop IGBT的關(guān)斷波形。圖5為感性負(fù)載下Trench gate/Field-stop IGBT的關(guān)斷波形，其中t0-t1的過程為vce上升階段，t1-t2的過程為IC下降階段。IGBT模塊的關(guān)斷過程開始于t0時刻。模塊的柵極電壓vge從此刻開始下降，由通態(tài)值vgeon下跌至平臺值vgep。隨后模塊進(jìn)入Miller平臺階段，該平臺內(nèi)器件的柵極電壓vge保持不變，而c、e兩端所承受的電壓vce上升到母線電壓值VDC.此時，vce上升階段結(jié)束，模塊進(jìn)入IC下降階段，在該階段內(nèi)模塊的集電極電流IC由負(fù)載電流值Iload下降至0。最終模塊的關(guān)斷過程結(jié)束于t2時刻。其柵極電壓vge在Miller平臺的末尾處存在一個顯著下跌。

如圖5可見，區(qū)別于其他結(jié)構(gòu)的IGBT模塊，Trench gate/Field-Stop IGBT結(jié)構(gòu)的柵極電壓vge在Miller平臺的末尾處存在一個顯著下跌。當(dāng)柵極電壓vge由Miller平臺電壓跌到器件閾值電壓vth以下時，IGBT的MOS溝道完全關(guān)斷，負(fù)載電流全部由載流子抽取來維持。此時IGBT模塊的電壓上升率不再受驅(qū)動電阻控制，而是由其本征特性限制。同樣驅(qū)動電阻也失去了對集電極電流下降過程的控制能力。但是對于傳統(tǒng)IGBT結(jié)構(gòu)不存在這種情況?？紤]到IGBT關(guān)斷過程中，集電極電流下降速率-dIC/dt隨負(fù)載電流等級近似一階線性增加。對于必然存在的電路雜散電感，需采用必要的限制措施來避免關(guān)斷尖峰壓。

為了適應(yīng)器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展，目前大部分IGBT模塊的驅(qū)動器都集成有源箝位功能來抑制關(guān)斷過壓，例如Concept公司的SCALE-2系列驅(qū)動器的有源箝位ACC（advanced active clamping）功能。

圖5 感性負(fù)載下Trench gate/Field-stop IGBT的關(guān)斷波形Fig.5 Inductive turn-off waveforms of the Trench gate/Field-stop IGBT

2 基于載流子抽取模型的驅(qū)動器有源箝位功能分析

2.1 驅(qū)動器有源箝位功能簡介

CONCEPT公司SCALE-2系列驅(qū)動板的Active Clamping功能及IGBT的并斷波形［6］，如圖6所示。

圖6 Concept公司AAC功能示意Fig.6 Function schematic diagram of the AAC from the Concept and waveforms of IGBT turn off process

一般情況，當(dāng)IGBT c、e兩端的電壓vce超過模塊額定電壓VCES的80%時，串聯(lián)的一系列TVS被擊穿，此時會有電流IAAC流進(jìn)ASIC（專用集成電路）的AAC單元。該單元會根據(jù)IAAC的大小控制關(guān)斷MOSFET。當(dāng)該電流大于40 mA時，關(guān)斷MOSFET開始被線性關(guān)斷；當(dāng)電流大于500 mA時，關(guān)斷MOSFET完全關(guān)斷。此時模塊的門級處于開路狀態(tài)，IZ會通過模塊內(nèi)置的門級電阻Rg_in給門級電容Cge充電，使柵極電壓vge回升到所需值。從而使集電極電流下降速率減緩，達(dá)到控制集電極電流下降過程的效果，實(shí)現(xiàn)電壓箝位。如圖6（b）為Infineon公司的FZ3600R17HP4模塊在測試工況900 V/ 2 000 A下的關(guān)斷波形。從柵極電壓vge波形可以看出，在Miller平臺末端有明顯的有源箝位動作，且此時對應(yīng)的c、e兩端的電壓vce在1 340 V左右，約為該器件額定電壓的80%。

2.2 電流下降階段的載流子抽取模型

考慮半橋測試電路，理想情況下，當(dāng)IGBT的電壓vce上升到母線電壓VDC時，模塊的關(guān)斷過程開始進(jìn)入電壓恒定的集電極電流下降階段。由前文分析可知，對于Trench gate/Field-stop IGBT結(jié)構(gòu)，在進(jìn)入集電極電流下降階段之前，其MOS溝道已經(jīng)完全關(guān)斷。此時模塊內(nèi)部的動態(tài)平衡全由載流子抽取過程來維持。結(jié)合之前的載流子抽取機(jī)理，在集電極電流下降階段將IGBT模塊內(nèi)部的n--基區(qū)劃分為3個區(qū)域：空間電荷區(qū)（SCR）、載流子抽取區(qū)及剩余的電子-空穴等離子體［7］，如圖7所示。

圖7 Trench gate/Field-stop IGBT模塊集電極電流下降階段的載流子抽取模型Fig.7 Carrier extraction model during collector current falling transition of the Trench gate/Field-stop IGBT

圖中，SCR即為n--基區(qū)中載流子被抽盡區(qū)域。考慮到自由載流子對SCR摻雜濃度的影響，此時SCR內(nèi)的有效摻雜濃度Neff可表示為

式中：NDn為n--本征基區(qū)的摻雜濃度；vpsat為空穴的飽和速度；q為電荷常數(shù)。

則此時式（5），可表示為

式中：wDC為電流下降階段對應(yīng)的SCR的寬度。

載流子抽取區(qū)即為存儲載流子抽取發(fā)生的地方。空穴被抽向發(fā)射極e側(cè)形成空穴電流來維持所需的電流等級；電子被抽向集電極c側(cè)來承擔(dān)n--基區(qū)中電子的反向注入。且任一時刻的載流子抽取區(qū)均可由3個特征參數(shù)，即抽取區(qū)的起點(diǎn)位置wDC、抽取區(qū)的寬度ε以及抽取區(qū)中的載流子分布p（y）來定義，它們的變化規(guī)律由各自的控制方程來約束。

對于抽取區(qū)中的載流子分布p（y），考慮其相應(yīng)的限制條件，可用4階多項(xiàng)式描述，即

式中：a0=0；a1=2p0/ε；a2=0；a3=-2p0/ε3；a4=p0/ε4；p0為Trench gate/Field-stop IGBT通態(tài)時n--基區(qū)中的載流子濃度。

對于載流子抽取區(qū)的寬度ε，考慮抽取區(qū)中電子的連續(xù)方程為

即：單位時間內(nèi)抽取區(qū)中電子電荷的凈增加量dQex/ dt等于wDC處隨電子電流密度Jn（wDC）注入抽取區(qū)中的電子電荷數(shù)減去wDC+ε處隨電子電流密度Jn（wDC+ε）流出抽取區(qū)的電子電荷數(shù)。

由圖7可得，抽取區(qū)中總的電子電荷Qex表示為

結(jié)合式（9）～式（11）及相應(yīng)的運(yùn)算規(guī)律，可得

式中：ε0為電流下降階段初期抽取區(qū)的寬度；由負(fù)載電流的大小決定；Da為n--基區(qū)中載流子的雙極擴(kuò)散系數(shù)。

最后，考慮抽取區(qū)中載流子的大注入狀態(tài)及相應(yīng)特性，可得集電極電流下降階段集電極電流密度JC的瞬時表達(dá)式為

由以上的分析可知，對于Trench gate/Fieldstop IGBT，當(dāng)MOS溝道完全關(guān)斷后，其電流下降過程不再受門級電阻控制。而是由器件本身的特性來決定的，同時也受負(fù)載電流等級與溫度的影響。

2.3 基于載流子抽取模型的有源箝位功能分析

實(shí)際電路中不可避免地存在雜散電感，過大的集電極電流下降率會在雜散電感上感應(yīng)出過高的反壓疊加到IGBT模塊兩端，引起過壓擊穿。由于Trench gate/Field-stop IGBT模塊的結(jié)構(gòu)特性，集電極電流下降階段門級電阻失去對集電極電流下降率的控制能力。因而需采用其他的措施來抑制尖峰電壓。目前比較常用為有源箝位電路，即在模塊的集電極c與門級g之間引入反饋回路。當(dāng)c、e兩端的電壓超過設(shè)定的箝位閾值電壓時，反饋回路導(dǎo)通，通過給門級電容Cge充電來開通已關(guān)斷的MOS溝道。電子電荷會再次通過MOS溝道注入到n--基區(qū)來分擔(dān)器件內(nèi)部的部分平衡機(jī)理，減緩載流子的抽取，從而實(shí)現(xiàn)電流下降速率的抑制。

有源箝位電路作用下，IGBT模塊內(nèi)部的載流子抽取過程，如圖8所示，結(jié)合電流下降階段的載流子抽取模型來分析有源箝位電路的作用機(jī)理。

當(dāng)有源箝位電路開始作用后，IGBT模塊c、e兩端的電壓vce被箝位在由TVS管設(shè)定的閾值電壓Vclamp_th，也即：母線電壓VDC+雜散電感上感應(yīng)的電壓△Vpara。此時，電流下降階段IGBT模塊的集電極電流下降率-dIC/dt也不再由其本征特性限制，而是由有源箝位電路的閾值電壓 Vclamp_th和雜散電感 Lpara的大小來控制，即

且當(dāng)有源箝位電路開始動作后，集電極電流下降率為一個定值，用符號K來表示。

由式（13）可得

對式（15）進(jìn)行積分可得

式中，εclamp_0為有源箝位電路開始動作的初期載流子抽取區(qū)的寬度。

由式（16）可知，有源箝位電路開始動作后，抽取區(qū)寬度ε隨時間的變化規(guī)律不再由其內(nèi)部的載流子抽取速率決定，而同樣是由有源箝位電路的閾值電壓值Vclamp_th和雜散電感Lpara的大小來控制。

同理，依據(jù)式（8）可知，載流子抽取區(qū)的起點(diǎn)位置wDC隨時間的變化規(guī)律也是由有源箝位電路的閾值電壓Vclamp_th和雜散電感Lpara的大小決定的，即

結(jié)合式（11）、式（16）、式（17），有源箝位電路動作后,單位時間內(nèi)抽取區(qū)中載流子電荷的凈減少量dQn_ex_limit/dt也取決于有源箝位電路的閾值電壓Vclamp_th和雜散電感Lpara的大小。

但從抽取區(qū)中載流子的連續(xù)方程出發(fā)，為維持器件內(nèi)部的動態(tài)平衡，單位時間內(nèi)實(shí)際需要被抽取的載流子電荷為

由于有源箝位電路限制了實(shí)際能從抽取區(qū)中抽走的載流子電荷，因而未能由抽取機(jī)理來提供的那部分載流子電荷將由再次導(dǎo)通的MOS溝道來提供，即

也即

式中：Jn_mos_needed為當(dāng)有源箝位電路工作后維持n--基區(qū)中動態(tài)平衡時器件的MOS溝道必須要提供的電子電流密度；vge_mos為與Jn_mos_needed相對應(yīng)的柵極電壓，也即通過有源箝位回路充電所需達(dá)到的柵極電壓。

總之，有源箝位電路的實(shí)質(zhì)在于通過再次開通MOS溝道來分擔(dān)IGBT模塊內(nèi)部部分的載流子抽取。從而使得抽取區(qū)中需要被抽走的載流子電荷數(shù)減少，減緩了載流子的抽取速率，一定程度上抑制了集電極電流的下降速率。MOS溝道導(dǎo)通會一直持續(xù)到集電極電流IC下降到一定程度，在該狀態(tài)下，即有源箝位電路對抽取區(qū)中載流子的抽取量有一定的限制，從抽取區(qū)中抽出的載流子電荷也足夠維持IGBT模塊內(nèi)部電流的連續(xù)性及剩余等離子體的穩(wěn)定性，而不再需要來自MOS溝道的電子，也即電流下降率減小到不再觸發(fā)有源箝位電路動作。

3 結(jié)語

本文結(jié)合IGBT模塊關(guān)斷過程中的載流子抽取機(jī)理分析了由Trench gate/Field-Stop IGBT芯片結(jié)構(gòu)特征所引起的特有關(guān)斷特性，并引入載流子抽取模型來描述IGBT關(guān)斷過程中的電流下降階段。且以此為基礎(chǔ)分析了IGBT驅(qū)動板為適應(yīng)器件結(jié)構(gòu)變化而引入的有源箝位功能的作用機(jī)理。從而也驗(yàn)證了載流子抽取模型在IGBT器件級與電路級交互作用分析中的實(shí)用性，深入到器件內(nèi)部去理解IGBT模塊運(yùn)行機(jī)理，有助于實(shí)現(xiàn)器件與電路最佳匹配。

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Analysis of Active Clamping Circuit in Trench Gate/Field-stop IGBT Driver with Carrier Extraction Model

CHEN Yuxiang,LUO Haoze,LI Wuhua,HE Xiangning
（College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

Considering the collector current falling rate uncontrollability of Trench gate/Field-stop IGBT modules, the carrier extraction model is introduced to describe the storage carrier dynamic behaviors during the collector current falling transition of the IGBT turn-off process.With this model,functional mechanisms of the active clamping circuit in IGBT drivers which is integrated to fit this special turn-off characteristic of the Trench gate/Field-stop IGBT are analyzed.Moreover,the critical role of this proposed carrier extraction model in analyzing the interaction between the device and circuit is demonstrated,which paves the way for the further optimum device-circuit matching.

Trench gate/Field-stop IGBT;Collector current falling rate;Uncontrollability;Carrier extraction model; active clamping circuit

陳玉香

陳玉香 -1988-），女，博士研究生，研究方向：電力電子器件技術(shù)，E-mail：wxyr1988@163.com。

羅皓澤 -1986-），男，博士研究生，研究方向：大容量電力電子器件可靠性，E-mail：hlu@et.aau.dk。

李武華 -1979-），男，通信作者，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子變流技術(shù)與可再生能源接入，E-mail：woohualee@zju.edu.cn。

何湘寧 -1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用，E-mail：hxn@zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.136

TM 46

A

2015-11-23

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項(xiàng)目（2014CB247400）；國家自然科學(xué)基金重大資助項(xiàng)目（51490 682）

Project Supported by National Basic Research Program（973 Program）of China（2014CB247400）；Major Program of the National Nature Science Foundation of China（51490682）