功率器件门振荡现象及其对策

刘莉华

摘 要：在特定情况下，MOSFET和IGBT的门极可能发生振荡的现象，门振荡可能引起门极绝缘劣化及HVIC损坏。本文介绍了门振荡的现象、影响、原因推测及应对方法。

关键词：MOSFET；IGBT；门振荡；解决方法

0 引言

MOSFET及IGBT是应用非常广泛的半导体类功率器件，其门极电路的稳定性对功率器件的可靠性运行起着至关重要的作用。下面对MOSFET或IGBT门极电路产生振荡的一种异常现象进行分析探讨，提出解决措施。

1 门振荡现象

MOSFET或IGBT导通时，门电压（Vge）产生振荡。有过观测到门-发射极间峰值电压±80V以上这样的经验。门振荡的同时，集电极电压（Vce）也对应振荡。

门振荡发生的特点：（1）低温，发生频度增加；（2）电流大的时候会发生；（3）非该相的峰值电流的时候，假设峰值电流为90度，在60度或者120度的附近发生；（4）门电阻大时会发生；（5）门-发射极间插入门电容（不同于IGBT的绝缘门的容量），门电容在某个值以上的容量容易发生。相反容量一减少，发生频度会下降；（6）模块的情况时发生的元件位置（相和高端或低端）是固定的；（7）即使是完全相同的MOSFET或IGBT，模块的外壳不同时，也会有不发生的。

2 门振荡的影响

MOSFET或IGBT门极利用酸化膜绝缘。门酸化物的厚度为600到800nm（6000～8000），酸化硅的理论耐压（没有结晶缺陷和杂质的理想的绝缘物的绝缘电压）为11MV/cm，所以门和发射极间大概100V会全部毁坏。现实中，有研究50V以下都会有门酸化膜的时间相关的界电层破坏（TDDB）的故障现象，所以元件厂家只保证20V门电压。当门振荡给这个门酸化膜外加上高频率几十V的电压，发生门的劣化化，几百小时后，IGBT会變为短路状态。门振荡时，HVIC的输出被外加上这个几十V的额外的电压很容易导致超出其额定耐压值而损坏。

3 门振荡的原因推测

低温下功率器件阈值电压（VGEth）变高。门驱动电源的电压Vs一定的话，门充电的门电流设门电阻为Rg，因为由（Vs-Vge）/Rg来决定，所以VGEth变高就是门电流变小。也就是说跟门电阻大的时候是一样的。并且，所谓电机电流大的时候容易发生，意味着对应Vge也高的时候。门电流少的话，开关时的集电极电流变化率（⊿Ic/⊿t）和集电极电压的变化率（⊿Vce/⊿t）变小，意味着开关相同电流、相同电压所需的时间变长。另一方面，由配线的寄生电感和电流的变化率的积的电压在配线中发生，集电极电压急剧下降。集电极电压一下降，虽然集电极和门间的容量的放电电流通过，但从电源来的门电流少（VGEth和门电阻大的時候）的话，这个放电电流就不能充分供给。由于这样，就会夺取门和发射极间的容量的电荷，门电压下降。那样的话，电流变化率变化，集电极电压上升。结果，通过反馈容量充电电流从集电极流向门，使门电压上升。如此循环，集电极电压下降，反馈容量放电，可以推测会发生这样的振荡现象。

4 门振荡的解决方法

（1）减小门电容容量，如上图红圈电容，由于该容量影响开关特性，所以作为最后对策；（2）插入电阻，像上图蓝色圈那样在门电容和IGBT的门插入串联的电阻。非共振条件下R≥2*√（L/C）；（3）插入二极管，如上图绿圈。这个二极管用齐纳二极管，在门附近的话对门的耐压保护也有效。

5 结语

综上所述，作为门极电路的一种异常运行状态，门振荡现象应得到设计者的充分认识。在进行功率器件应用设计时需对其进行充分评估，才能保证功率器件运行的可靠性。

参考文献

[1]付耀龙.IGBT的分析与设计[D].哈尔滨工业大学，2010.

[2]王毅.功率MOSFET的失效分析及其驱动设计[D].武汉理工大学，2014.

（作者单位：广东美的暖通设备有限公司）