基于载流子抽取模型的Trench Gate/Field-stop IGBT驱动器有源箝位功能分析

陈玉香，罗皓泽，李武华，何湘宁

（浙江大学电气工程学院，杭州310027）

基于载流子抽取模型的Trench Gate/Field-stop IGBT驱动器有源箝位功能分析

陈玉香，罗皓泽，李武华，何湘宁

（浙江大学电气工程学院，杭州310027）

针对Trench gate/Field-stop IGBT结构特有的关断过程中集电极电流下降率不可控问题，引入了载流子抽取模型来模拟器件关断过程中的集电极电流下降阶段器件内部载流子的动态行为特性，并以此为基础分析了驱动器为适应Trench gate/Field-Stop IGBT结构这种关断特性而引入的有源箝位功能的作用机理，验证了载流子抽取模型在器件级与电路级交互作用分析中的实用性，为后续实现器件与电路的最佳匹配奠定了基础。

Trench gate/Field-Stop IGBT；集电极电流下降率；不可控性；载流子抽取模型；有源箝位功能

引言

大功率应用场合驱动IGBT模块向更高电压阻断能力、更低整体损耗的方向发展。IGBT模块的结构由传统的穿通PT（punch-through）和非穿通NPT（non-punch-through）结构发展到目前适应于高压大电流场合的Trench gate/Field-Stop结构［1］。然而不同结构的IGBT模块，其相应的结构特性作为器件外部表征的控制因素影响着IGBT模块对外部电路参数的响应。其中对Trench gate/Field-Stop IGBT结构，由其结构特性决定的关断过程中集电极电流下降率的不可控性，使得关断过压问题成为IGBT模块在大功率应用场合中的主要制约因素［2］。目前，大功率IGBT模块的驱动器为了适应器件的这种结构特点，引入了有源箝位功能来抑制器件的关断尖峰电压［3-4］。

1 IGBT关断过程的载流子抽取机理

1.1 载流子抽取机理

无论何种结构的IGBT模块，其通态时都处于一种动态平衡的稳定状态，且该稳定状态具体体现在以下两个方面（考虑最基本的PT IGBT结构）：①n--基区中载流子分布的稳定性；②IGBT模块内部电流分布的连续性，如图1所示。

图1 PT IGBT通态时的电流分布和n--基区中载流子的分布Fig.1 Current distribution and carrier distribution in the n--base region during the on-state of PT IGBTs

（1）通态时，n--基区处于大注入状态，电子和空穴在其中形成稳定分布的等离子区（忽略n--基区中载流子的复合效应），即有

式中：dQn_mos_in为在dt时间内由MOS沟道注入n--基区中的电子电荷；dQn_back_out为在dt时间内由n--基区反向流入p-发射极中的电子电荷；dQp_emitter_in为在dt时间内由p-发射极注入n--基区中的空穴电荷；dQp_collected_out为在 dt时间内由 p-阱收集的空穴电荷。

IGBT模块内部各处电子电流和空穴电流之和是一个与位置无关定值，由负载电流决定（忽略n--基区中载流子的复合效应），即有

式中；IE、IC分别为IGBT模块发射极E、集电极C侧的电流；In_mos、In_am、In_c分别为IGBT内部MOS沟道、n--基区和n--基区与p-发射极接口处的电子电流；Ip_collected、Ip_am和 Ip_c分别为 IGBT内部 p-阱、n--基区和n--基区与p-发射极接口处的空穴电流。MOS沟道中的电子电流In_mos直接受外电路控制，则栅极电压vge对In_mos的控制特性描述为

式中：Kp为与器件结构和载流子特性有关的系数；Vth为MOS沟道的阈值电压。

（2）关断IGBT模块时，将外接驱动电压由+15 V变为-10 V的典型操作打破了模块内部在通态情况下所维持的动态平衡。考虑感性负载下IGBT模块的关断过程，关断初期随着vge的下降，In_mos减小，同时dQn_mos_in也减少；但对于模块集电极c的一侧，由于感性负载的箝位作用，相应的 In_c、Ip_c、dQn_back_out和dQp_emitter_in均保持不变。 因此IGBT模块内部将偏离其原有的平衡状态。但是随着平衡状态的偏离，模块内部会产生自我调整机制，出现新的电流产生机理来弥补MOS沟道电子电流In_mos下降所带来的影响，这种新的电流产生机理即为n--基区中存储载流子的抽取。具体的载流子抽取过程如图2所示。

图2 感性负载关断状态下PT IGBT模块内部载流子的抽取Fig.2 Carrier extraction during inductive turn-off process of PT IGBTs

图中，n--基区中等离子体边沿的电子电荷dQn_ex被抽向集电极c一端，与减少的dQn_mos_in一起承担n--基区电子电荷的反向注入dQn_back_out；而等离子体边沿的空穴电荷dQp_ex被抽向发射极e一端，形成空穴电流Ip_ex来弥补MOS沟道中电子电流In_mos的减小，以维持总电流的恒定。在载流子抽取机理的作用下，关断过程中，IGBT模块进入一个新的动态平衡状态。

1.2 载流子抽取机理的结构依赖性

IGBT关断过程中，n--基区中存储载流子被抽尽的区域会形成空间电荷区SCR（space charge region），建立电场，承受端压。如图3所示，空间电荷区内电场分布E（y）所围的面积即为IGBT c、e两端的电压vce，即

图3 在感性负载关断过程中PT IGBT的电场分布和电流分布Fig.3 Field distribution and current distribution during the inductive turn-off process of the PT IGBT

式中：Neff为n--基区中的有效掺杂；w为空间电荷区的宽度；εsi为Si材料的介电常数。

忽略等离子体边沿载流子的浓度梯度，假设等离子体边沿载流子的移除全部由载流子抽取来完成.考虑SCR扩展与存储载流子抽取之间的关系可知，SCR宽度w的增长速率dw/dt应等于电子-空穴等离子体边沿载流子的抽取速率，即

式中：A为芯片的横截面积；In_SCR为空间电荷区中的电子电流，也即为栅极电压减小后对应的MOS沟道电子电流；b为常系数，等于电子与空穴的迁移率之比；p（w）为等离子体边沿处载流子的浓度；q为电荷常数。

在此基础上来考虑IGBT模块的结构特性对载流子抽取过程的影响。相比于传统的平板型PT和NPT IGBT结构，目前流行的Trench gate/Field-stop IGBT结构引入沟槽栅的概念，改变了器件通态时n--基区中载流子的分布特性。如图4所示，区别于传统平面栅结构，n--基区中载流子的分布由集电极c侧向发射极e侧递减的特性；沟槽栅结构的IGBT模块，通态时，其整个基区中载流子分布近似常数且整体浓度高于传统结构［5］。

图4 通态时不同IGBT结构基区中的载流子分布Fig.4 Carrier distribution in the n--base of several IGBT structures during the on-state

由式（6）可知，等离子体边沿载流子浓度p（w）越高，载流子抽取的速度就越慢，相应的SCR宽度w的增长速率dw/dt就越小。结合式（5）可得，同一时刻下，IGBT c、e两端的承受的电压vce就越小，对应的电压上升速率dvce/dt就越低。这样通过Miller电容Cgc反馈回门级的电流（Cgcdvce/dt）就越小，用来抑制栅极电压vge下降的阻力就越低。所以对于Trench gate/Field-Stop IGBT结构，其关断过程存在有别于传统平板型IGBT结构的特点。图5所示为感性负载下Trench gate/Field-stop IGBT的关断波形。图5为感性负载下Trench gate/Field-stop IGBT的关断波形，其中t0-t1的过程为vce上升阶段，t1-t2的过程为IC下降阶段。IGBT模块的关断过程开始于t0时刻。模块的栅极电压vge从此刻开始下降，由通态值vgeon下跌至平台值vgep。随后模块进入Miller平台阶段，该平台内器件的栅极电压vge保持不变，而c、e两端所承受的电压vce上升到母线电压值VDC.此时，vce上升阶段结束，模块进入IC下降阶段，在该阶段内模块的集电极电流IC由负载电流值Iload下降至0。最终模块的关断过程结束于t2时刻。其栅极电压vge在Miller平台的末尾处存在一个显著下跌。

如图5可见，区别于其他结构的IGBT模块，Trench gate/Field-Stop IGBT结构的栅极电压vge在Miller平台的末尾处存在一个显著下跌。当栅极电压vge由Miller平台电压跌到器件阈值电压vth以下时，IGBT的MOS沟道完全关断，负载电流全部由载流子抽取来维持。此时IGBT模块的电压上升率不再受驱动电阻控制，而是由其本征特性限制。同样驱动电阻也失去了对集电极电流下降过程的控制能力。但是对于传统IGBT结构不存在这种情况。考虑到IGBT关断过程中，集电极电流下降速率-dIC/dt随负载电流等级近似一阶线性增加。对于必然存在的电路杂散电感，需采用必要的限制措施来避免关断尖峰压。

为了适应器件结构的发展，目前大部分IGBT模块的驱动器都集成有源箝位功能来抑制关断过压，例如Concept公司的SCALE-2系列驱动器的有源箝位ACC（advanced active clamping）功能。

图5 感性负载下Trench gate/Field-stop IGBT的关断波形Fig.5 Inductive turn-off waveforms of the Trench gate/Field-stop IGBT

2 基于载流子抽取模型的驱动器有源箝位功能分析

2.1 驱动器有源箝位功能简介

CONCEPT公司SCALE-2系列驱动板的Active Clamping功能及IGBT的并断波形［6］，如图6所示。

图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

一般情况，当IGBT c、e两端的电压vce超过模块额定电压VCES的80%时，串联的一系列TVS被击穿，此时会有电流IAAC流进ASIC（专用集成电路）的AAC单元。该单元会根据IAAC的大小控制关断MOSFET。当该电流大于40 mA时，关断MOSFET开始被线性关断；当电流大于500 mA时，关断MOSFET完全关断。此时模块的门级处于开路状态，IZ会通过模块内置的门级电阻Rg_in给门级电容Cge充电，使栅极电压vge回升到所需值。从而使集电极电流下降速率减缓，达到控制集电极电流下降过程的效果，实现电压箝位。如图6（b）为Infineon公司的FZ3600R17HP4模块在测试工况900 V/ 2 000 A下的关断波形。从栅极电压vge波形可以看出，在Miller平台末端有明显的有源箝位动作，且此时对应的c、e两端的电压vce在1 340 V左右，约为该器件额定电压的80%。

2.2 电流下降阶段的载流子抽取模型

考虑半桥测试电路，理想情况下，当IGBT的电压vce上升到母线电压VDC时，模块的关断过程开始进入电压恒定的集电极电流下降阶段。由前文分析可知，对于Trench gate/Field-stop IGBT结构，在进入集电极电流下降阶段之前，其MOS沟道已经完全关断。此时模块内部的动态平衡全由载流子抽取过程来维持。结合之前的载流子抽取机理，在集电极电流下降阶段将IGBT模块内部的n--基区划分为3个区域：空间电荷区（SCR）、载流子抽取区及剩余的电子-空穴等离子体［7］，如图7所示。

图7 Trench gate/Field-stop IGBT模块集电极电流下降阶段的载流子抽取模型Fig.7 Carrier extraction model during collector current falling transition of the Trench gate/Field-stop IGBT

图中，SCR即为n--基区中载流子被抽尽区域。考虑到自由载流子对SCR掺杂浓度的影响，此时SCR内的有效掺杂浓度Neff可表示为

式中：NDn为n--本征基区的掺杂浓度；vpsat为空穴的饱和速度；q为电荷常数。

则此时式（5），可表示为

式中：wDC为电流下降阶段对应的SCR的宽度。

载流子抽取区即为存储载流子抽取发生的地方。空穴被抽向发射极e侧形成空穴电流来维持所需的电流等级；电子被抽向集电极c侧来承担n--基区中电子的反向注入。且任一时刻的载流子抽取区均可由3个特征参数，即抽取区的起点位置wDC、抽取区的宽度ε以及抽取区中的载流子分布p（y）来定义，它们的变化规律由各自的控制方程来约束。

对于抽取区中的载流子分布p（y），考虑其相应的限制条件，可用4阶多项式描述，即

式中：a0=0；a1=2p0/ε；a2=0；a3=-2p0/ε3；a4=p0/ε4；p0为Trench gate/Field-stop IGBT通态时n--基区中的载流子浓度。

对于载流子抽取区的宽度ε，考虑抽取区中电子的连续方程为

即：单位时间内抽取区中电子电荷的净增加量dQex/ dt等于wDC处随电子电流密度Jn（wDC）注入抽取区中的电子电荷数减去wDC+ε处随电子电流密度Jn（wDC+ε）流出抽取区的电子电荷数。

由图7可得，抽取区中总的电子电荷Qex表示为

结合式（9）～式（11）及相应的运算规律，可得

式中：ε0为电流下降阶段初期抽取区的宽度；由负载电流的大小决定；Da为n--基区中载流子的双极扩散系数。

最后，考虑抽取区中载流子的大注入状态及相应特性，可得集电极电流下降阶段集电极电流密度JC的瞬时表达式为

由以上的分析可知，对于Trench gate/Fieldstop IGBT，当MOS沟道完全关断后，其电流下降过程不再受门级电阻控制。而是由器件本身的特性来决定的，同时也受负载电流等级与温度的影响。

2.3 基于载流子抽取模型的有源箝位功能分析

实际电路中不可避免地存在杂散电感，过大的集电极电流下降率会在杂散电感上感应出过高的反压叠加到IGBT模块两端，引起过压击穿。由于Trench gate/Field-stop IGBT模块的结构特性，集电极电流下降阶段门级电阻失去对集电极电流下降率的控制能力。因而需采用其他的措施来抑制尖峰电压。目前比较常用为有源箝位电路，即在模块的集电极c与门级g之间引入反馈回路。当c、e两端的电压超过设定的箝位阈值电压时，反馈回路导通，通过给门级电容Cge充电来开通已关断的MOS沟道。电子电荷会再次通过MOS沟道注入到n--基区来分担器件内部的部分平衡机理，减缓载流子的抽取，从而实现电流下降速率的抑制。

有源箝位电路作用下，IGBT模块内部的载流子抽取过程，如图8所示，结合电流下降阶段的载流子抽取模型来分析有源箝位电路的作用机理。

当有源箝位电路开始作用后，IGBT模块c、e两端的电压vce被箝位在由TVS管设定的阈值电压Vclamp_th，也即：母线电压VDC+杂散电感上感应的电压△Vpara。此时，电流下降阶段IGBT模块的集电极电流下降率-dIC/dt也不再由其本征特性限制，而是由有源箝位电路的阈值电压 Vclamp_th和杂散电感 Lpara的大小来控制，即

且当有源箝位电路开始动作后，集电极电流下降率为一个定值，用符号K来表示。

由式（13）可得

对式（15）进行积分可得

式中，εclamp_0为有源箝位电路开始动作的初期载流子抽取区的宽度。

由式（16）可知，有源箝位电路开始动作后，抽取区宽度ε随时间的变化规律不再由其内部的载流子抽取速率决定，而同样是由有源箝位电路的阈值电压值Vclamp_th和杂散电感Lpara的大小来控制。

同理，依据式（8）可知，载流子抽取区的起点位置wDC随时间的变化规律也是由有源箝位电路的阈值电压Vclamp_th和杂散电感Lpara的大小决定的，即

结合式（11）、式（16）、式（17），有源箝位电路动作后,单位时间内抽取区中载流子电荷的净减少量dQn_ex_limit/dt也取决于有源箝位电路的阈值电压Vclamp_th和杂散电感Lpara的大小。

但从抽取区中载流子的连续方程出发，为维持器件内部的动态平衡，单位时间内实际需要被抽取的载流子电荷为

由于有源箝位电路限制了实际能从抽取区中抽走的载流子电荷，因而未能由抽取机理来提供的那部分载流子电荷将由再次导通的MOS沟道来提供，即

也即

式中：Jn_mos_needed为当有源箝位电路工作后维持n--基区中动态平衡时器件的MOS沟道必须要提供的电子电流密度；vge_mos为与Jn_mos_needed相对应的栅极电压，也即通过有源箝位回路充电所需达到的栅极电压。

总之，有源箝位电路的实质在于通过再次开通MOS沟道来分担IGBT模块内部部分的载流子抽取。从而使得抽取区中需要被抽走的载流子电荷数减少，减缓了载流子的抽取速率，一定程度上抑制了集电极电流的下降速率。MOS沟道导通会一直持续到集电极电流IC下降到一定程度，在该状态下，即有源箝位电路对抽取区中载流子的抽取量有一定的限制，从抽取区中抽出的载流子电荷也足够维持IGBT模块内部电流的连续性及剩余等离子体的稳定性，而不再需要来自MOS沟道的电子，也即电流下降率减小到不再触发有源箝位电路动作。

3 结语

本文结合IGBT模块关断过程中的载流子抽取机理分析了由Trench gate/Field-Stop IGBT芯片结构特征所引起的特有关断特性，并引入载流子抽取模型来描述IGBT关断过程中的电流下降阶段。且以此为基础分析了IGBT驱动板为适应器件结构变化而引入的有源箝位功能的作用机理。从而也验证了载流子抽取模型在IGBT器件级与电路级交互作用分析中的实用性，深入到器件内部去理解IGBT模块运行机理，有助于实现器件与电路最佳匹配。

［1］Ruething H,Umbach F,Hellmund O,et al.600 V-IGBT3：trench field stop thchnology in 70μm ultra thin wafer technology［C］.2003 IEEE 15th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs.Cambridge,UK, 2003.

［2］Bohllander M,Bayerer R,Lutz J,et al.Desaturated switching of trench-fieldstop IGBTs［C］.PCIM,2006,Nurnberg,Germany.

［3］Luniewski P,Jansen U.Benefits of system-oriented IGBT module design for high power inverters［C］.2007 European Conference on Power Electronics and Applications.Aalborg, Danmark,2007.

［4］Palmer P R,Rajamani H S.Active voltage control of IGBTs for high power［J］.IEEE Trans on Power Electronics,2004, 19（4）：894-901.

［5］Laska T,Munzer M,Pfirsch F,et al.The field stop IGBT（FS IGBT）-a new power device concept with a great improvement potential［C］.The 12th International Symposium on Power SemiconductorDevicesandICs.Toulouse,France,2000.

［6］Concept Application note.A-1101：Application with SCALETM-2gatedrivercores［Z］.

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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

陈玉香

陈玉香 -1988-），女，博士研究生，研究方向：电力电子器件技术，E-mail：wxyr1988@163.com。

罗皓泽 -1986-），男，博士研究生，研究方向：大容量电力电子器件可靠性，E-mail：hlu@et.aau.dk。

李武华 -1979-），男，通信作者，教授，博士生导师，研究方向：电力电子变流技术与可再生能源接入，E-mail：woohualee@zju.edu.cn。

何湘宁 -1961-），男，教授，博士生导师，研究方向：电力电子技术及其工业应用，E-mail：hxn@zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.136

TM 46

A

2015-11-23

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2014CB247400）；国家自然科学基金重大资助项目（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）