在設計功率電路中，飽和和退飽和是非常重要的概念，搞清這些概念是可靠設計驅動保護電路的關鍵。今天就來探讨一下退飽和現象的産生原理，以及由此引發的IGBT安全工作區概念。

基本概念

圖1 IGBT産品典型輸出特性曲線

如上圖，是IGBT産品典型的輸出特性曲線，橫軸是C，E兩端電壓，縱軸是歸一化的集電極電流。可以看到IGBT工作狀态分為三個部分：

1、截止區：CE間電壓小于一個門檻電壓，即背面PN節的開啟電壓時，IGBT背面PN結截止，無電流流動

2、飽和區：CE間電壓大于門檻電壓後，電流開始流動，CE間電壓随着集電極電流上升而線性上升，這個區域稱為飽和區。因為IGBT飽和電壓較低，因此我們希望IGBT工作在飽和區域。

3、線性區：随着CE間電壓繼續上升，電流進一步增大。到一定臨界點後，CE電壓迅速增大，而集電極電流并不随之增長。這時我們稱IGBT退出了飽和區。在這個區間内，IGBT損耗增加，發熱嚴重，是需要避免的工作狀态。

為什麼IGBT會發生退飽和現象？

這要從IGBT的平面結構說起。IGBT和MOSFET有類似的器件結構，MOS中的漏極D相當于IGBT的集電極C，而MOS的源極S相當于IGBT的發射極E，二者都會發生退飽和現象。下圖所示是一個簡化平面型IGBT剖面圖，以此來闡述退飽和發生的原因。栅極施加一個大于阈值的正壓VGE，則栅極氧化層下方會出現強反型層，形成導電溝道。這時如果給集電極C施加正壓VCE，則發射極中的電子便會在電場的作用下源源不斷地從發射極E流向集電極C，而集電極中的空穴則會從集電極C流向發射極E，這樣電流便形成了。這時電流随CE電壓的增長而線性增長，器件工作在飽和區。當CE電壓進一步增大，MOS溝道末的電勢随着VCE而增長，使得栅極和矽表面的電壓差很小，進而不能維持矽表面的強反型，這時溝道出現夾斷現象，電流不再随CE電壓的增加而成比例增長。我們稱器件退出了飽和區。

(a) 正常工作

(b) 退飽和狀态

圖2 典型IGBT剖面圖

IGBT的安全工作區

第一節我們講到了IGBT需要工作在飽和區，但是，并不是所有的飽和區都适合IGBT工作。事實上，IGBT的安全工作區隻占整個輸出特性曲線的很小一部分，多數器件标稱的安全工作區電流在2~4倍額定電流之間，如下圖綠色區域所示。在這個區域器件經過100%的出廠測試，可以進行連續開關操作。當然，在安全工作區裡也并不意味着能随心所欲為所欲為，你需要保證連續工作時IGBT結溫不超最大限制，你需要保證關斷時電壓尖峰不超額定電壓，你還需要保證選擇的門極電阻不能太小，以免引起震蕩，也不能太大，以免增加損耗，以及其它等等注意事項。

圖3 IGBT工作區定義

如果器件的電流在超過了安全工作區所定義的電流，即使它仍然處于飽和狀态，即上圖中的紅色區域，這時關斷器件仍然是有風險的！是器件禁止進入的工作狀态。此時，必須使器件電路降回到安全工作區電流，或者使器件退飽和，即進入上圖所示黃色區域的短路工作區，在特定的短路時間内，才可以安全關斷。

那麼如果器件一直工作在飽和區，雖然電流超過了安全工作區，但是仍低于短路電流，比如落在圖3中的紫色區域中，這時候能不能安全關斷呢？答案依然是否定的。隻要器件電流超出了安全工作區，但又沒有進入短路安全工作區，就請不要關斷！不要關斷！不要關斷！

在實際應用中，退飽和現象一般發生在器件短路時，但是退飽和區隻能有一小部分作為短路安全工作區。這時CE電壓上升到母線電壓，電流一般是額定電流的4~8倍（見各器件規格書），功率異常增大，結溫急劇上升，不及時關斷器件就有可能燒毀器件。多數IGBT有一定的短路承受時間，一般在10us之内，具體參見各産品規格書。

從器件輸出曲線可以看出，随着門極電壓的上升，短路電流也急劇上升，因此規格書承諾的短路能力一般都建立在特定的門極電壓基礎上，一般是15V。因此圖3所示的短路安全工作區門極電壓限制在15V以下。

以IKW25N120T2為例，在門極電壓VGE=15V，母線電壓600V，器件結溫小于175℃的情況下，器件有最多10us的短路時間。在10us之内，器件可以被安全的關斷。

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