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IGBT的米勒平台和栅极电荷

2025-11-24 13:38:56

IGBT的栅极对外显示出了类似电容的特性,即电压由充电电荷和电容决定,即:

电容的数值一般是恒定的,所以在一定电压下,电压与电荷呈线性关系,但是IGBT的等效电容则不一样,如下图所示:

从上图中可以知道,栅极电荷充电可以分为四个区域:

时间A点,栅极电荷处于积累模式。AB之间的电容CGE被充电,VGE根据下式上升:

实际应用中,时间A~B由驱动电阻(包括栅极内置电阻和驱动外置电阻)和等效栅极电容决定。所以电容CGE不是线性上升,而是按指数规律上升。

时间B点,VGE达到了平带电压VFB,受电压影响的MOS电容(属于CGE的一部分)不再影响充电过程,这时候相比于A~B时间段,CGE的值在降低。相应地,栅极充电斜率上升。

时间段B~C之间,栅极电压VGE,B~C超过了栅极阈值电压Vth,所以IGBT开始导通工作。

时间段C~D之间,栅极的充电过程是由反馈电容CGC(可直接称为米勒电容)决定。

这个过程中在集电极-发射极电压VCE不断降低,电流IGC通过GGC给栅极放电,这部分电流需要驱动电路IDriver来补偿,所以体现在VGE曲线上就会出现一个恒定的电压,这个现象称为米勒平台。米勒平台期间VCEIC都较大,产生的开关损耗也会较大。

IGBT一旦进入饱和,此时的电压称为饱和电压降VCEsatdVCE/dt会下降到0,也没有任何反馈。

在到达时间E点之前,驱动电流会对栅极一直充电,效果类似于AB段。

栅极电荷

栅极电荷QG的定义是:栅极-发射极电压VGE从规定的低值上升到规定的高值所需要的电荷。在规定的栅极-发射极电压VGE、开通前集电极-发射极电压VCE和开通后集电极电流条件下的典型值。

栅极电荷QG是将栅压驱动到特定工作电压时所需要的总电荷量。主要由三部分组成:

栅极-发射极电荷QGE:对栅-射电容CGE和栅极下方沟道电容充电的电荷,直到器件达到阈值电压Vth

栅极-集电极电荷QGC:也称为米勒电荷,对栅-集电荷QGC充电的电荷,这个电容在开关过程中变化剧烈,这是影响开关速度的关键。

栅极电荷的剩余部分:在米勒平台后,将栅极电压继续充到最终目标电压所需的电荷。

这其中,QGC对开关损耗的影响最大。因栅极集合结构上的不同,沟槽栅IGBT比平面栅IGBT具有更高的栅极电荷。

这是因为,平面栅器件的CGC主要是由栅极与JFET区域上方的耗尽区形成的电容,这个区域相对较远,且可以通过调整JFET注入浓度来优化,从而优化CGC;而沟槽栅器件消除了JFET区域,其CGC主要是由栅极侧壁与漂移区之间形成的电容,这个距离非常近,且面积很大(因为沟槽具有深度),导致其固有的CGC比平面栅器件更大。而且,沟槽栅覆盖了沟槽的侧壁和底部,总的栅氧面积更大;而平面栅的栅氧仅在顶部,面积相对较小。故而更大的栅氧面积意味着更大的栅氧电容,这就直接贡献了QG

所以,对于沟槽栅IGBT,栅极电容CGE和充电电荷QG的值相对大一些,所以沟槽栅IGBT需要提高更大的驱动功率。

测试电路如下:

测试条件:确定环境温度Ta、管壳温度Tc或结温Tj、集电极电流IC、集电极-发射极电压VCE、初始时刻的栅极-发射极电压VGE0和达到规定驱动电压时刻的VGE1

测试过程:

在栅极施加恒定电流IG至栅极-发射极VGE达到规定值时,监控初始时刻t0到栅极-发射极电压VGE达到设定的驱动电压时刻t1时的集电极-发射极电压VCE和栅极-发射极电压VGE,从而得到如下曲线:

故栅极电荷计算如下:

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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IGBT的米勒平台和栅极电荷
IGBT的栅极对外显示出了类似电容的特性,即电压由充电电荷和电容决定,即:电容的数值一般是恒定的,所以在一定电压下,电压与电荷呈线性关系,但是IGBT的等效电容
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