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?在IGBT模塊的使用過程中，關斷時刻的電壓尖峰限制著系統的工作電壓，特別在高壓平臺的應用中對于模塊電壓尖峰要求更高，有些還會增加有源鉗位功能來限制電壓尖峰。排除模塊本身特性外，關斷尖峰由回路電感和驅動參數決定。其中回路電感由系統整體的布局結構決定，結構確定后往往很難繼續優化，所以匹配驅動參數時尖峰電壓也是必須要考慮的因素。

在確定的使用工況下，驅動電路中可調參數一般都只剩門級電容與門級電阻，其中門級電容對于器件關斷過程影響較小，想要一個較好的效果往往需要選取上百nF的電容，極大的門級電容會給驅動電路的驅動能力與隔離設計帶來較大的挑戰，甚至會帶來LC震蕩問題，所以門級電容調整范圍一般較小，普遍通過門級電阻來調整電壓尖峰。

門級電阻調整時，大量的工程經驗告訴我們，門極電阻增大、關斷速度減慢、關斷損耗增加、電壓尖峰減小。這個規律從NPT型IGBT到FS型IGBT一直都非常直接且有效，但是現在器件漸漸切換至溝槽柵(Trench)IGBT，從關斷損耗來看電阻對關斷的影響已經大幅減弱(圖1)，但是關斷電阻對于Trench結構IGBT的影響不僅僅是單純的減弱。

圖1：FS IGBT與Trech-FS IGBT開關損耗隨電阻變化曲線

圖2為一款具有Trench結構的IGBT模塊在相同的電壓電流下，不斷增大電阻后得到的波形。可以看到，門級波形中，其米勒平臺電壓越來越高，維持時間越來越長，與無Trench結構IGBT一致；但是在電壓電流波形的中產生了特別的變化，將Vce波形起點對齊后很明顯其電壓尖峰隨電阻呈現出非單調性變化，尖峰隨著電阻的增大先上升后下降，最大值出現在5.6Ω。這顯然是在無Trench結構IGBT中極少出現的現象。

圖2：電阻增大的門級波形(上)與電流電壓波形(下)

實際上最大電壓尖峰對應的電阻不但與芯片本身相關也與模塊中芯片的并聯個數、模塊選定的工作電壓值、甚至與實際應用電路有關，它可能對應任何阻值。這種現象就要求應用端進行電阻選取要試用更多、范圍更大的電阻，因為增加電阻的單調性規律在Trench結構IGBT已經不再適用。Trench結構IGBT這樣獨特的特性，與它的設計密切相關。

首先關注IGBT的基本結構(圖3)，一個IGBT在結構的上等效可以為一個MOS一個PNP管與一個NPN管，在正常應用環境下NPN管不起作用，在開通狀態集電極電流分為經過MOS的電子電流Inmos與經過PNP管的空穴電流Ihpnp，所以IGBT屬于雙極型器件，并且兩種電流大小與IGBT所用襯底中電子遷移率和空穴遷移率成正比。

圖3：NPT型IGBT(左)與其等效電路(右)

在等效電路圖中可以看到，驅動電路給予的電壓實際在控制IGBT中的MOS的電子電流，其空穴電流不受驅動電壓直接控制。

IGBT的關斷過程大體可以分為四個階段(圖4)；階段一：柵極電壓下降，但此時柵極電壓仍然大于等效MOS在此條件下的閾值電壓，電壓電流與導通表現一致；階段二：當柵極電壓開始接近等效MOS在此條件下的閾值電壓，等效MOS開始關斷動作，電子電流開始下降，但是由于外部為感性負載，母線電流不會突變，需要產生額外的電流維持負載電流，這時器件中的載流子被抽取，產生的電流恰好補充下降的電子電流，同時由于載流子消失，空間電場開始建立，電壓上升，并且柵極電壓由于米勒效應影響維持在米勒平臺附近；階段三：當電壓上升至母線電壓后，空間電場仍然繼續擴展，但電壓不再變化，電場強度會降低，此時MOS溝道未完全關斷，電流下降過程由MOS溝道的關斷特性和載流子的抽取特性共同決定，此時電流快速下降，與外部雜散電感感應出電壓尖峰；階段四：在電流下降至某一值后，空間電場寬度不再擴展，載流子抽取停止，剩余的載流子自行復合，表現為電流的拖尾階段。

圖4：IGBT關斷的四個階段

很明顯電壓尖峰的產生與電流的快速下降有關，即與IGBT中等效MOS的關斷行為和載流子抽取行為有關，而Trench結構IGBT中做出調整的就是其等效MOS管的結構(圖5)，所以在關斷特性上表現出了明顯的不同。

圖5：FS IGBT(左)與Trench-FS IGBT(右)

可以看到，Trench結構最大的特點就是柵極進行了向下延申，原有的平面柵在導通過程中的反型溝道僅僅存在于P區中靠近柵極下方的水平面，而溝槽柵在導通過程中反型溝道存在于P區中與柵極靠近的整個垂直區域。這使得Trench結構IGBT導通過程中電子和空穴構成的載流子濃度顯著大于平面柵結構。同時Trench結構可以消除平面柵存在的高阻JFET區，降低了導通壓降。并且有研究表明，硅基IGBT的通態飽和壓降存在理論上的最小值，要實現該最小值且不顯著影響器件的關斷損耗，N-基區中的通態存儲載流子濃度分布需呈現出由發射極側向集電極側逐漸遞減的特征。

圖6：各類IGBT載流子濃度分布

圖6為各類IGBT載流子濃度分布，其中平面柵型器件N-基區中的通態載流子濃度分布由發射極側向集電極側依次遞增，與理想分布變化趨勢相反；而溝槽柵型器件N-基區中的通態存儲載流子濃度由發射極側至集電極側呈現出近似均勻的分布，更加接近理想分布。因此，溝槽柵結構更有利于實現器件通態飽和壓降與關斷損耗之間的優化折中。Trench結構IGBT這種更高的載流子濃度和更加理想化的載流子濃度分布，使得其在關斷時刻，負載電流靠N-基區的載流子被抽取而維持的現象更明顯。并且靠載流子抽取產生的電流僅與芯片的設計有關，驅動回路僅能控制其中等效MOS的關斷行為。

很明顯，與無Trench結構IGBT相比Trench結構IGBT的載流子抽取的效果被加強了。當驅動電阻較小時，米勒平臺很低，非常接近等效MOS在此條件下的閾值電壓，在電流下降階段，器件關斷過程以載流子抽取行為為主，MOS溝道關斷行為影響小；增大電阻，米勒平臺上升，MOS溝道關斷行為加強，載流子通過抽取行為與MOS溝道兩條路徑運行，電流變化速度加快；繼續增大電阻，MOS溝道關斷行為占據主導，電流變化速度減慢，如(圖7)。

圖7：Trench IGBT在0-20Ω關斷Vpeak與di/dt

另外當門級電阻足夠小時，米勒平臺可能低于等效MOS在此條件下的閾值電壓，那么MOS溝道在電流下降時已經關斷，電流變化只由載流子抽取行為決定，由于載流子通道是有限的，器件的關斷速度會固定在某個值不在變化，這個現象在某些Trench結構IGBT也會出現，但是由于材料的物理特性IGBT芯片內部總會存在柵極電阻，芯片也不可能將閾值電壓設計設置很低，所以此現象很少發生。

翠展微電子在追求極致的公司理念下，設計Trench結構時已經考慮到這種結構帶來的附加影響，并通仿真設計，在不影響關斷損耗與導通損耗的情況下，使這種現象的影響在應用端降至最低，這樣可以讓應用端更方便去進行驅動電阻的選取。翠展微電子自研芯片與模塊均已采用Trench結構，整體損耗更低，功率密度更高，可靠性更強。翠展微電子以更高效，更強大的功率器件助力各行業增效節能，讓綠色能源成為現實。

審核編輯：劉清