絕緣門(mén)極雙極型晶體管(IGBT)是復(fù)合了功率場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件,具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、飽和壓降低、耐壓高電流大等優(yōu)點(diǎn),因此現(xiàn)今應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是IGBT良好特性的發(fā)揮往往因其門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路上的不合理,制約著IGBT的推廣及應(yīng)用。
無(wú)論是MOSFET還是IGBT,都是受門(mén)極控制的器件。在相同電流的條件下,一般門(mén)極電壓用得越高,導(dǎo)通損耗越小。因?yàn)殚T(mén)極電壓越高意味著溝道反型層強(qiáng)度越強(qiáng),由門(mén)極電壓而產(chǎn)生的溝道阻抗越小,流過(guò)相同電流的壓降就越低。不過(guò)器件導(dǎo)通損耗除了受這個(gè)門(mén)極溝道影響外,還和芯片的厚度有很大的關(guān)系,一般越薄的導(dǎo)通損耗越小,所以同等芯片面積下寬禁帶的器件導(dǎo)通損耗要小得多。而相同材料下耐壓越高的器件就會(huì)越厚,導(dǎo)通損耗就會(huì)變大。這種由芯片厚度引起的導(dǎo)通損耗不受門(mén)極電壓影響,所以器件耐壓越高,門(mén)極電壓即使進(jìn)一步增大對(duì)導(dǎo)通損耗貢獻(xiàn)是有限的。門(mén)極的正壓對(duì)降低開(kāi)關(guān)損耗也是有幫助的。因?yàn)殚_(kāi)通的過(guò)程相當(dāng)于一個(gè)對(duì)門(mén)極電容充電的過(guò)程,初始電壓越大,充電越快,一般來(lái)說(shuō)開(kāi)通損耗越小。而關(guān)斷損耗則受門(mén)極負(fù)壓影響,幾乎不受門(mén)極正電壓影響。
凡事有得有失,雖然門(mén)極電壓高對(duì)導(dǎo)通損耗和開(kāi)通損耗都好,但是會(huì)犧牲短路性能。下式為MOSFET短路電流的理論公式,IGBT短路行為與MOSFET類(lèi)似。式中μn為電子的遷移速率,Cox為單位面積柵氧化層電容,W/L為氧化層寬長(zhǎng)比,Vgs為驅(qū)動(dòng)正電壓,Vth為門(mén)極閾值電壓。從式中可以看出,門(mén)極正電壓越大,電流會(huì)明顯上升。

比如IGBT在門(mén)極電壓15V下有10μs的短路能力,但在門(mén)極16V時(shí),短路能力會(huì)下降到7μs不到。
無(wú)論對(duì)IGBT還是SiC MOSFET來(lái)說(shuō),使用的門(mén)極正電壓越高,導(dǎo)通損耗和開(kāi)通損耗都會(huì)降低,對(duì)整體開(kāi)關(guān)效率有利。但是會(huì)影響器件的短路耐受能力。如果在使用SiC MOSFET時(shí)不需要短路能力的話(huà),建議適當(dāng)提高門(mén)極的正電壓。
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