功率器件門振蕩現象及其對策

劉莉華

摘 要：在特定情況下，MOSFET和IGBT的門極可能發生振蕩的現象，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象、影響、原因推測及應對方法。

關鍵詞：MOSFET；IGBT；門振蕩；解決方法

0 引言

MOSFET及IGBT是應用非常廣泛的半導體類功率器件，其門極電路的穩定性對功率器件的可靠性運行起著至關重要的作用。下面對MOSFET或IGBT門極電路產生振蕩的一種異常現象進行分析探討，提出解決措施。

1 門振蕩現象

MOSFET或IGBT導通時，門電壓（Vge）產生振蕩。有過觀測到門-發射極間峰值電壓±80V以上這樣的經驗。門振蕩的同時，集電極電壓（Vce）也對應振蕩。

門振蕩發生的特點：（1）低溫，發生頻度增加；（2）電流大的時候會發生；（3）非該相的峰值電流的時候，假設峰值電流為90度，在60度或者120度的附近發生；（4）門電阻大時會發生；（5）門-發射極間插入門電容（不同于IGBT的絕緣門的容量），門電容在某個值以上的容量容易發生。相反容量一減少，發生頻度會下降；（6）模塊的情況時發生的元件位置（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，也會有不發生的。

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（沒有結晶缺陷和雜質的理想的絕緣物的絕緣電壓）為11MV/cm，所以門和發射極間大概100V會全部毀壞。現實中，有研究50V以下都會有門酸化膜的時間相關的界電層破壞（TDDB）的故障現象，所以元件廠家只保證20V門電壓。當門振蕩給這個門酸化膜外加上高頻率幾十V的電壓，發生門的劣化化，幾百小時后，IGBT會變為短路狀態。門振蕩時，HVIC的輸出被外加上這個幾十V的額外的電壓很容易導致超出其額定耐壓值而損壞。

3 門振蕩的原因推測

低溫下功率器件閾值電壓（VGEth）變高。門驅動電源的電壓Vs一定的話，門充電的門電流設門電阻為Rg，因為由（Vs-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候是一樣的。并且，所謂電機電流大的時候容易發生，意味著對應Vge也高的時候。門電流少的話，開關時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，意味著開關相同電流、相同電壓所需的時間變長。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和門電阻大的時候）的話，這個放電電流就不能充分供給。由于這樣，就會奪取門和發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，集電極電壓下降，反饋容量放電，可以推測會發生這樣的振蕩現象。

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特性，所以作為最后對策；（2）插入電阻，像上圖藍色圈那樣在門電容和IGBT的門插入串聯的電阻。非共振條件下R≥2*√（L/C）；（3）插入二極管，如上圖綠圈。這個二極管用齊納二極管，在門附近的話對門的耐壓保護也有效。

5 結語

綜上所述，作為門極電路的一種異常運行狀態，門振蕩現象應得到設計者的充分認識。在進行功率器件應用設計時需對其進行充分評估，才能保證功率器件運行的可靠性。

參考文獻

[1]付耀龍.IGBT的分析與設計[D].哈爾濱工業大學，2010.

[2]王毅.功率MOSFET的失效分析及其驅動設計[D].武漢理工大學，2014.

（作者單位：廣東美的暖通設備有限公司）