在IGBT的开关过程中,由于晶体管结构特点以及原理,存在着一定的不对称性,从而导致在断开IGBT时,直流信号中出现拖尾电流。该电流是由于电荷平衡要求,电子发射速度较低的P区中的电子需要一定时间才能完全输送到N区,导致N区到达截止时,P区中还有少量电子“滞留”的状态。这种“滞留”电子的情况会导致一个拖尾电流现象。
拖尾电流发生的根本原因是N区和P区之间存在电子外扩的过程。IGBT为双极PNP型晶体管与单极N型场效应晶体管的混合结构,本身就是存在不对称性的。在开关过程中,加上晶体管形成电容的存在,导致电子在P区与N区之间有来回穿梭的运动。因为导电线路的存在,当P区封锁后,会有一个很小的电流从P区逆向向N区转移,这时候P区内还有一部分电荷等待被转移。当N极切断时,这些电荷仍会产生电流,从而形成一个与开关过程相反的拖尾电流。
针对上述原因,可以建立一个物理模型简略解释,即:当P/N结善于导电—单极N型场效应晶体管(单极N-MOS)我打开时,电容Cgs加载,如果D3的Vgs=on,那么此时电流从G导致S流过Rds(ON)。P与N区之间的电子开始进行扩散,使P区内的电荷移动的方向与极性相反。当单极MOS关闭时,Cgs中的电荷通过D3的电容Cds通过Rds(ON)流回电源,然后在P区逆向输送,产生一个电流,即拖尾电流。这个电流的大小与Cgs的容值、IGBT主极的特性相关。
降低IGBT拖尾电流是在IGBT应用中需要解决的一个重要问题。针对其产生原因,可以从以下几个方面考虑:
(1) 选择IGBT器件时,应考虑器件的结构特点以及特性曲线。在满足实际需要的前提下,选择特性匹配最好的器件。
(2) 采用一些特殊的驱动技术,如采用应用于IGBT驱动的RC组合网络、加锁控制等方法,从而达到有效控制拖尾电流的目的。
(3) 对于高频应用,可以采用并联电容降低压缩参量,增加带宽,提高应用性能。
(4) 提高IGBT的拓扑结构研发能力,设计优化结构,减弱器件极间电感耦合和电路压缩参量,从而减少拖尾电流的产生。