为什么IGBT会发生退饱和现象？
igbt--退饱和问题
igbt--退饱和问题
这是某产品输出特性曲线，可以看到igbt工作区分为三个部分：
1、截止区：ce间电压小于0.7v，igbt背面pn结截止，无电流流动。
2、饱和区：ce间电压大于0.7v，电流开始流动，ce间电压随着集电极电流上升而线性上升。这是igbt希望的工作状态。
3、放大区：随着ce间电压继续上升，电流进一步增大。到一定临界点后，ce电压迅速增大，而集电极电流并不随之增长。这时我们称igbt退出了饱和区。
为什么igbt会发生退饱和现象?
这要从igbt的平面结构说起。igbt和mosfet有类似的器件结构，mos中的漏极d相当于igbt的集电极c，而mos的源极s相当于igbt的发射极e，二者都会发生退饱和现象。下图所示是一个简化的mos剖面图，以此来阐述退饱和发生的原因。栅极施加一个大于阈值的正压vgs，则栅极氧化层下方会形成导电沟道，这时如果给漏极d施加正压vds，则源极中的电子便会在电场的作用下源源不断地从漏极d流向源极s，这样电流便形成了，这时电流随ds电压的增长而线性增长。随着ds电压的增大，使得栅极和硅表面的电压差很小而不能维持硅表面的强反型，沟道出现夹断现象，电流不再随ds电压的增加而成比例增长。
正常工作
退饱和状态
那么在应用中，退饱和现象会有什么危害呢?
在实际应用中，退饱和现象一般发生在器件短路时，这时ce电压上升到母线电压，电流一般是额定电流的4倍(见各器件规格书)，功率异常增大，结温急剧上升，不及时关断器件就有可能烧毁器件。多数igbt有一定的短路承受能力，一般在10us之内，具体参见各产品规格书。
遇到退饱和现象怎么办
1、最简单的办法：监测电流，电流超过一定的阈值后驱动器报错，关断igbt。这种方法本质上是过流检测，无法将过流与退饱和相区分。
2、检测器件的ce电压。igbt正常工作时ce电压很低，一般在1v到3v之间，而igbt发生退饱和之后ce电压会迅速上升。退饱和检测电路事先设定一个阈值电压，比如9v，当ce间电压超过9v时，驱动芯片报错，关断igbt。目前多数驱动芯片厂商都推出了集成了退饱和检测功能的芯片，只需要简单的外围电路即可实现。下面是一个典型的退饱和检测电路(图中功率器件为mosfet，换成igbt通用)。驱动芯片内置一个500ua恒流源，器件正常工作时压降很低，500ua的电流流过功率器件;当器件退饱和后压降急剧升高，二极管ddesat截止，500ua电流只能向电容cdesat充电，当cdesat上的电压超过9v时，芯片内部比较器翻转，逻辑电路报错。
退饱和关断时注意什么
因为在退饱和状态下器件电流非常大，如果不加限制地关断igbt，会产生很大的di/dt，施加在回路的寄生电感上就会感应出很高的ce电压，如果这个电压高于器件额定电压，那么igbt就有可能损坏。我们有两种手段来控制关断时的电压尖峰
1、软关断：当驱动器检测到短路时，软关断功能不是将igbt的栅极电压直接转换成0v或者相应的负压，而是利用一个相对较大的电阻，通过它给栅射之间的电容cge放电，从而降低igbt的关断速度，避免产生过电压。一旦栅极电压降低到某个值(如2v)，大电阻就会被一个小电阻取代，这样可以确保快速而完全地给栅射电容cge放电。
2、有源钳位：有源钳位的基本原理如图a所示，只要集电极处的电位超过了某一特定电压临界值uce，且这个电压高于二极管vd1的雪崩电压，电流i1流过d1,d2,rg和t2， 如果rg上的电流大于igbt的阈值电压vth，则igbt再次开通，关断过程减慢，从而集电极电压得到抑制。这种方法对tvs管的要求较高，且会增大栅极-集电极之间的电容，因此实际中经常采用会把信号反馈到栅极放大器的推挽前级，如图所示。
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2、饱和区：ce间电压大于0.7v，电流开始流动，ce间电压随着集电极电流上升而线性上升。这是igbt希望的工作状态。
3、放大区：随着ce间电压继续上升，电流进一步增大。到一定临界点后，ce电压迅速增大，而集电极电流并不随之增长。这时我们称igbt退出了饱和区。
为什么igbt会发生退饱和现象?
这要从igbt的平面结构说起。igbt和mosfet有类似的器件结构，mos中的漏极d相当于igbt的集电极c，而mos的源极s相当于igbt的发射极e，二者都会发生退饱和现象。下图所示是一个简化的mos剖面图，以此来阐述退饱和发生的原因。栅极施加一个大于阈值的正压vgs，则栅极氧化层下方会形成导电沟道，这时如果给漏极d施加正压vds，则源极中的电子便会在电场的作用下源源不断地从漏极d流向源极s，这样电流便形成了，这时电流随ds电压的增长而线性增长。随着ds电压的增大，使得栅极和硅表面的电压差很小而不能维持硅表面的强反型，沟道出现夹断现象，电流不再随ds电压的增加而成比例增长。
正常工作
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在实际应用中，退饱和现象一般发生在器件短路时，这时ce电压上升到母线电压，电流一般是额定电流的4倍(见各器件规格书)，功率异常增大，结温急剧上升，不及时关断器件就有可能烧毁器件。多数igbt有一定的短路承受能力，一般在10us之内，具体参见各产品规格书。
遇到退饱和现象怎么办
1、最简单的办法：监测电流，电流超过一定的阈值后驱动器报错，关断igbt。这种方法本质上是过流检测，无法将过流与退饱和相区分。
2、检测器件的ce电压。igbt正常工作时ce电压很低，一般在1v到3v之间，而igbt发生退饱和之后ce电压会迅速上升。退饱和检测电路事先设定一个阈值电压，比如9v，当ce间电压超过9v时，驱动芯片报错，关断igbt。目前多数驱动芯片厂商都推出了集成了退饱和检测功能的芯片，只需要简单的外围电路即可实现。下面是一个典型的退饱和检测电路(图中功率器件为mosfet，换成igbt通用)。驱动芯片内置一个500ua恒流源，器件正常工作时压降很低，500ua的电流流过功率器件;当器件退饱和后压降急剧升高，二极管ddesat截止，500ua电流只能向电容cdesat充电，当cdesat上的电压超过9v时，芯片内部比较器翻转，逻辑电路报错。
退饱和关断时注意什么
因为在退饱和状态下器件电流非常大，如果不加限制地关断igbt，会产生很大的di/dt，施加在回路的寄生电感上就会感应出很高的ce电压，如果这个电压高于器件额定电压，那么igbt就有可能损坏。我们有两种手段来控制关断时的电压尖峰
1、软关断：当驱动器检测到短路时，软关断功能不是将igbt的栅极电压直接转换成0v或者相应的负压，而是利用一个相对较大的电阻，通过它给栅射之间的电容cge放电，从而降低igbt的关断速度，避免产生过电压。一旦栅极电压降低到某个值(如2v)，大电阻就会被一个小电阻取代，这样可以确保快速而完全地给栅射电容cge放电。
2、有源钳位：有源钳位的基本原理如图a所示，只要集电极处的电位超过了某一特定电压临界值uce，且这个电压高于二极管vd1的雪崩电压，电流i1流过d1,d2,rg和t2， 如果rg上的电流大于igbt的阈值电压vth，则igbt再次开通，关断过程减慢，从而集电极电压得到抑制。这种方法对tvs管的要求较高，且会增大栅极-集电极之间的电容，因此实际中经常采用会把信号反馈到栅极放大器的推挽前级，如图所示。
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