劉莉華

摘 要：在特定情況下，MOSFET和IGBT的門極可能發(fā)生振蕩的現(xiàn)象，門振蕩可能引起門極絕緣劣化及HVIC損壞。本文介紹了門振蕩的現(xiàn)象、影響、原因推測(cè)及應(yīng)對(duì)方法。

關(guān)鍵詞：MOSFET；IGBT；門振蕩；解決方法

0 引言

MOSFET及IGBT是應(yīng)用非常廣泛的半導(dǎo)體類功率器件，其門極電路的穩(wěn)定性對(duì)功率器件的可靠性運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。下面對(duì)MOSFET或IGBT門極電路產(chǎn)生振蕩的一種異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析探討，提出解決措施。

1 門振蕩現(xiàn)象

MOSFET或IGBT導(dǎo)通時(shí)，門電壓（Vge）產(chǎn)生振蕩。有過觀測(cè)到門-發(fā)射極間峰值電壓±80V以上這樣的經(jīng)驗(yàn)。門振蕩的同時(shí)，集電極電壓（Vce）也對(duì)應(yīng)振蕩。

門振蕩發(fā)生的特點(diǎn)：（1）低溫，發(fā)生頻度增加；（2）電流大的時(shí)候會(huì)發(fā)生；（3）非該相的峰值電流的時(shí)候，假設(shè)峰值電流為90度，在60度或者120度的附近發(fā)生；（4）門電阻大時(shí)會(huì)發(fā)生；（5）門-發(fā)射極間插入門電容（不同于IGBT的絕緣門的容量），門電容在某個(gè)值以上的容量容易發(fā)生。相反容量一減少，發(fā)生頻度會(huì)下降；（6）模塊的情況時(shí)發(fā)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，模塊的外殼不同時(shí)，也會(huì)有不發(fā)生的。

2 門振蕩的影響

MOSFET或IGBT門極利用酸化膜絕緣。門酸化物的厚度為600到800nm（6000～8000），酸化硅的理論耐壓（沒有結(jié)晶缺陷和雜質(zhì)的理想的絕緣物的絕緣電壓）為11MV/cm，所以門和發(fā)射極間大概100V會(huì)全部毀壞?，F(xiàn)實(shí)中，有研究50V以下都會(huì)有門酸化膜的時(shí)間相關(guān)的界電層破壞（TDDB）的故障現(xiàn)象，所以元件廠家只保證20V門電壓。當(dāng)門振蕩給這個(gè)門酸化膜外加上高頻率幾十V的電壓，發(fā)生門的劣化化，幾百小時(shí)后，IGBT會(huì)變?yōu)槎搪窢顟B(tài)。門振蕩時(shí)，HVIC的輸出被外加上這個(gè)幾十V的額外的電壓很容易導(dǎo)致超出其額定耐壓值而損壞。

3 門振蕩的原因推測(cè)

低溫下功率器件閾值電壓（VGEth）變高。門驅(qū)動(dòng)電源的電壓Vs一定的話，門充電的門電流設(shè)門電阻為Rg，因?yàn)橛桑╒s-Vge）/Rg來決定，所以VGEth變高就是門電流變小。也就是說跟門電阻大的時(shí)候是一樣的。并且，所謂電機(jī)電流大的時(shí)候容易發(fā)生，意味著對(duì)應(yīng)Vge也高的時(shí)候。門電流少的話，開關(guān)時(shí)的集電極電流變化率（⊿Ic/⊿t）和集電極電壓的變化率（⊿Vce/⊿t）變小，意味著開關(guān)相同電流、相同電壓所需的時(shí)間變長(zhǎng)。另一方面，由配線的寄生電感和電流的變化率的積的電壓在配線中發(fā)生，集電極電壓急劇下降。集電極電壓一下降，雖然集電極和門間的容量的放電電流通過，但從電源來的門電流少（VGEth和門電阻大的時(shí)候）的話，這個(gè)放電電流就不能充分供給。由于這樣，就會(huì)奪取門和發(fā)射極間的容量的電荷，門電壓下降。那樣的話，電流變化率變化，集電極電壓上升。結(jié)果，通過反饋容量充電電流從集電極流向門，使門電壓上升。如此循環(huán)，集電極電壓下降，反饋容量放電，可以推測(cè)會(huì)發(fā)生這樣的振蕩現(xiàn)象。

4 門振蕩的解決方法

（1）減小門電容容量，如上圖紅圈電容，由于該容量影響開關(guān)特性，所以作為最后對(duì)策；（2）插入電阻，像上圖藍(lán)色圈那樣在門電容和IGBT的門插入串聯(lián)的電阻。非共振條件下R≥2*√（L/C）；（3）插入二極管，如上圖綠圈。這個(gè)二極管用齊納二極管，在門附近的話對(duì)門的耐壓保護(hù)也有效。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，作為門極電路的一種異常運(yùn)行狀態(tài)，門振蕩現(xiàn)象應(yīng)得到設(shè)計(jì)者的充分認(rèn)識(shí)。在進(jìn)行功率器件應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)其進(jìn)行充分評(píng)估，才能保證功率器件運(yùn)行的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]付耀龍.IGBT的分析與設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]王毅.功率MOSFET的失效分析及其驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué)，2014.

（作者單位：廣東美的暖通設(shè)備有限公司）