在初始阶段，我们简单介绍了IGBT的基本结构和工作原理。不同行业对IGBT的深入程度可能有所差异，但作为一种开关器件，了解其开通和关断过程是必要的。随着载流子寿命控制等技术的应用，IGBT的关断损耗得到了明显改善。此外，大功率IGBT器件内部续流二极管的反向恢复过程极大地增加了
IGBT的开通损耗，因此IGBT的开通过程受到了越来越多的重视。
通过分析IGBT在不同工况条件下的开关波形，我们可以评估器件的开通损耗、承受的电气应力以及电磁干扰噪声等，并为驱动电路的优化提供指导，从而改善IGBT的开通特性。由于在实际应用中，我们经常遇到感性负载，所以今天我们将讨论基于感性负载情况下的IGBT开通过程。我们从IGBT阻断状态下的空间电荷分布开始分析，研究了IGBT输入电容随栅极电压变化的关系，揭示了栅极电压密勒平台形成的机制，并分析了驱动电阻对栅极电压波形的影响。我们还研究了IGBT集电极电流的上升特点，并分析了IGBT集射极电压的下降特点，揭示了回路杂散电感对集射极电压的影响规律。
IGBT的基本结构如下图所示。它由双极型功率晶体管（高耐压、大容量）和MOSFET（高开关速度）组成，因此具备了两种器件的特性：高耐压、大电流和高开关速度。
IGBT Structure
其中，P+和N+代表集电区和源区，它们经过重掺杂，而N-代表基区，掺杂浓度较低。与MOSFET类似，IGBT在门极上加正向电压即可导通。然而，由于在漏极上添加了P+层，使得在导通状态下，P+层将空穴注入到N基区，引发了传导性能的转变。因此，相比于MOSFET，IGBT具有更低的通态电阻，即通态压降较小。
每个单独的IGBT元胞内包含一个MOSFET、一个PNP晶体管和一个NPN晶体管。PNP晶体管的集电极（P基区）与NPN晶体管的发射极（N+源区）之间的电压降通过等效电阻Rs表示。当等效电阻Rs足够小时，可以忽略NPN晶体管的影响（后面我们会讲到IGBT的擎住效应，其中涉及到这个寄生的NPN晶体管以及等效电阻Rs）。
在IGBT的开通过程中，栅极电容扮演着重要的角色。下面是不同组成部分的栅极电容详细描述：
栅极-发射极金属电容C1：这是栅极与发射极之间的金属电容。
栅极-N+源极氧化层电容C2：这是栅极与N+源极之间的氧化层电容。
栅极-P基区电容Cgp：Cgp由C3和C5两部分构成，表示栅极与P基区之间的电容。
栅极-集电极电容Cgc：Cgc由C4和C6两部分构成，表示栅极与集电极之间的电容。Cgc也被称为反向传输电容或者米勒电容。
其中，栅极-发射极电容Cge（也称为输入电容）等于C1 + C2 + Cgp，而栅极-集电极电容Cgc（也称为反向传输电容或者米勒电容）则仅包括Cgc。
此外，栅极-集电极电容Cgc随着IGBT的集射极电压变化而变化，而栅极-发射极电容Cgp随着栅极电压的变化而变化。栅极电容Cgp的变化趋势如下图所示：随着电压的增加，Cgp的电容值会先减小，然后随着电压进一步增加，其大小逐渐增加，并最终达到稳定值。
在IGBT的开通延迟过程中，驱动回路的等效电路可以根据上述描述得到。
驱动回路的等效电路
在该等效电路中，Vg表示栅极驱动板的输出电压，Rg表示驱动电阻，Cin表示驱动板输出端口的电容，Rs和Ls分别表示驱动回路的寄生电阻和寄生电感。
栅极电压开始上升一段时间后达到阈值电压，此时集电极电流开始上升，这个过程也被称为开通延迟，通常用td(on)来表示。
根据先前的分析，我们知道在栅极电压达到阈值之前，输入电容并不是一个恒定值，而是具有一个由大变小再逐渐增大的过程。因此，在IGBT开通过程中，驱动回路并不是给一个恒定的电容充电。
在栅极电压上升到一定值后，会出现一个维持水平的阶段，这个电压被称为米勒平台电压。当栅极电压超过阈值电压时，IGBT开始导通正向电流。当集电极电流达到最大电流时，续流二极管被反偏，IGBT两端的电压Vce迅速降低，耗尽区缩小，导致电压Vds也随之降低。这个耗尽区缩小和Vds降低的过程决定了栅极电压形成米勒平台的过程。
在米勒平台阶段，栅极-集电极电容Cgc是一个既有电容值变化又有带电量变化的过程。这个变化过程不由栅极电压控制，而是由集射极电压的变化决定。在这个过程中，驱动回路将继续给Cgc电容充电，但栅极电压Vg不会再上升，因为Vce会持续下降，这也是形成米勒平台的直接原因。在这个过程中，驱动回路只给Cgc电容充电。
在Vce下降后，米勒平台仍然能够维持的原因是此时载流子浓度仍在不断增加，因此电容值也在增加，从而栅极电压仍然保持在米勒平台电压水平上。
驱动电阻对栅极电压波形的影响可以通过开通延时和米勒平台阶段来分析。
在开通延迟阶段，驱动电阻的值越小，时间常数越小，栅极电压上升速度就越快，从而开通延迟的时间越短。较小的驱动电阻能够更快地给栅极电容充电，推动栅极电压快速达到阈值电压，使IGBT迅速进入导通状态。
在米勒平台阶段，驱动电阻越小，相同的栅极平台电压值下，平台持续时间就越短。较小的驱动电阻能够更快地将电荷注入栅极-集电极电容，加速栅极电压的变化，使栅极电压迅速达到设定的平台水平。
此外，在开通过程中，集电极电流随着栅极电压的增加而快速上升。当栅极电压大于阈值电压时，集电极电流呈二次函数曲线增长，即Ic=at²。其中，a是由芯片参数、功率回路参数和驱动回路参数共同决定的。
综上所述，较小的驱动电阻可以加快开通延迟时间并减少米勒平台持续时间，在开通过程中促使集电极电流迅速上升。这对于IGBT的正常开通和工作具有重要影响，能够提高开关速度和系统效率。
二极管反向恢复过程
IGBT 集电极电流过冲与续流二极管的反向恢复过程相对应。IGBT集电极电流持续增大的过程中，续流二极管中的少子浓度逐渐降低，反偏电流密度梯度也逐渐减小。当续流二极管达到反偏电流的最大值，二极管中耗尽区边缘少子浓度达到热平衡浓度。此后，二极管进入反向恢复阶段，此时的IGBT 集电极电流特性更多地取决于续流二极管的反向恢复特性，因为这个过程中需要将二极管中余下的过剩载流子移除，且耗尽区的电势降大小为反偏电压值。通常情况下，为了使二极管快速关断，需要有较大的反偏电流和较小的少子寿命。
开通过程集射极电压分析
集射极电压下降过程分析
理想条件下，不考虑回路中的杂散电感和电阻，当续流二极管的电流达到最大反向电流时，二极管开始承受反向电压，此时IGBT 两端的电压急剧下降。IGBT集射极电压下降包括两个阶段，第一个阶段类似于MOSFET 开通机理，耗尽区迅速消失，电压急剧下降，如下图所示的UCE_MOSFET阶段; 第二个阶段是过剩载流子在基区内扩散，电导调制区扩大，中性基区压降减小过程，如下图所示的UCE_BJT阶段。由于载流子扩散的速度远远慢于耗尽区消失的速度，因此这个阶段的电压衰减非常缓慢。
在开通过程中，负载电感对于IGBT的集射极电压（Vce）有一定影响。当集电极电流上升时，存在主回路中的杂散电感会引起额外的电压降落。
考虑到杂散电感的存在，可以得出以下关系式：
Vce + Ls * (di/dt) = Vdc
其中，Vce代表IGBT器件的集射极电压，Ls代表主回路的杂散电感，di/dt代表集电极电流的变化率，Vdc代表直流母线电压。
因此，从电流开始上升的时刻开始，IGBT器件两端的电压就会低于直流母线电压。这可以表示为：
Vce = Vdc - Ls * (di/dt)
结合之前提到的集电极电流的二次函数关系Ic = at²，可以得到：
Vce = Vdc - 2aLs*t
由上述方程可以看出，在集电极电流上升过程中，集射极电压近似线性下降。而且，主回路的杂散电感越大，集射极电压下降速度越快。
需要注意的是，较大的杂散电感可以降低IGBT的开通损耗。然而，较大的杂散电感也会增加电压过冲的风险，可能导致器件损坏。因此，在实际设计中，需要在考虑开通损耗和电压过冲之间进行权衡，并尽量追求较小的杂散电感值。
IGBT的开通波形可以分为五个阶段，我将逐一介绍它们：
开通延迟阶段：在这个阶段中，驱动回路给输入电容充电，栅极电压逐渐增加。当栅极电压达到阈值电压时，IGBT开始开通，集电极电流开始增加。
电流上升阶段：在这个阶段中，MOSFET沟道导通，由于电流上升速度非常快，栅极电压近似线性增长。当集电极电流IC小于负载电流时，集射极电压随着集电极电流的增加而线性减小。
集射极电压迅速下降过程：当IGBT集电极电流IC大于峰值电流IL+IRR时，续流二极管承受反向电压，电流迅速减小。此时，IGBT的集射极电压迅速降低，并且耗尽区消失。这个过程引起了栅极-集电极电容及其所带电荷量的迅速变化。栅极电压也进入米勒平台阶段，在这个阶段中，栅极电压有一个电压跌落的过程。
栅极平台阶段：这个阶段中，IGBT电流开始衰减，由续流二极管的反向恢复特性决定。同时，IGBT的集射极电压继续减小，这是由于开通后IGBT内电导调制区的扩大引起的。在这个过程中，靠近栅极侧的中性基区电势Vds不断降低，而栅极电压的值基本保持不变。
栅极电压继续上升阶段：在这个阶段中，驱动回路继续给栅极电容充电，使得IGBT集射极电压基本稳定在通态压降水平。此时，IGBT集电极电流等于负载电流。
需要注意的是，以上阶段的描述可能比较简略，并不详细。实际应用中，通过研究和分析IGBT的开通波形，可以更好地理解其工作原理和特性。初次接触时，这些概念可能会有些困难，但通过深入学习和实践，您将能够更好地理解和应用它们。
结语
以下是对IGBT开关作用的正确描述：
导通状态：当正向栅极电压高于阈值电压时，形成一个正向偏置的N沟道，使得N沟道MOSFET导通。同时，PNP晶体管的基极电流由正向栅极电压提供，因此PNP晶体管也进入导通状态。这样，从集电极到发射极之间的电流可以流动，IGBT导通。
关断状态：当加上反向栅极电压或将正向栅极电压降低到阈值以下时，N沟道MOSFET的沟道被消除，基极电流切断。这样，集电极到发射极之间的电流无法流动，IGBT关断。
IGBT的驱动方法与MOSFET类似，通过控制输入极（栅极）处的N沟道MOSFET来实现。因此，IGBT具有高输入阻抗的特性。
当N沟道MOSFET的沟道形成后，空穴（少子）从P+基极注入到N-层，通过调制N-层的电导性，降低了N-层的电阻。这使得IGBT即使在高电压下，也具有较低的通态电压。
关键词：IGBT
