目录

1、IGBT工作原理和退饱和

1.1 IGBT 和 MOSFET结构比较

1.2 IGBT 和 MOSFET 饱和区的定义差异

1.3 IGBT 退饱和过程及保护

2.电感短路和直接短路

2.1 短路类型

2.2 桥臂直通短路

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在进行IGBT在短路实验过程中，我们通常使用退饱和电路来保护设备的短路。那么，退饱和电路的实现机制是什么呢？此外，短路负载对短路特性的影响是什么？本文主要讨论了这两个问题，并从机制层面进行了简要的分析。我希望读者能批评和纠正它们。

1、IGBT工作原理和退饱和

1.1 IGBT 和 MOSFET结构比较

为了理解IGBT我们有必要简单比较一下退饱和的过程机制MOSFET和IGBT结构差异： 简单来看，IGBT在MOSFET在基本结构上增加了一个基本结构P 层提供空穴载流子，这样可以和漏极N 基区电子区域N-电导调制减少IGBT导通压降在大电流条件下。IGBT通过其FET基区载流子(电子和空穴)的结构控制IGBT导通和关断。

1.2 IGBT 和 MOSFET 饱和区的定义差异

有一个概念需要稍微澄清，MOSFET和IGBT饱和区的定义有一定的差异，也可以认为是单载流子器件和双载流子器件的差异。

如图1-3， MOSFET区域定义：①正阻断区(也称截止区、夹断区)；②恒流区(又称饱和区、有源区、线性放大区)；③欧姆区(又称可变电阻区、非饱和区)；④雪崩击穿区；⑤反向导通区

如图1-4， IGBT区域定义：①正阻断区(截止区)；②有源区(线性放大区)；③饱和区；④雪崩击穿区；⑤反向阻断区

由于两种装置的载流子类型和导电方式不同，饱和区的定义存在一定的差异。MOSFET电子作为单载流子器件，参与导电；IGBT分为电子电流和空穴电流。

MOSFET 在区域③，随着电流的增加，VDS电压也增加，VDS>VGE-VGE(th)，沟通被预夹断，MOSFET进入区域②，源极N 不能提供更多的电子，IDS电流电流饱和。

IGBT 饱和区的定义和BJT类似，在区域③，ICE电流不受门级信号控制(类似于BJT由外围电路阻抗决定的集电极电流不受基极电流控制)；随着电流的增加，进入区域②以后，IGBT门级可以控制N-控制区域复合电子ICE电流，称为线性区。

在一定的门级电压条件下，从特电压条件下，ICE电流上升到一定大小，出现明显的拐点，即IGBT退饱和点；拐点左侧IGBT进入拐点右侧的饱和区IGBT进入线性区，IGBT我们称之为退饱和，从饱和区进入线性区。

如果您对结构差异感兴趣，请参考本文：

IGBT结构原理 - 知乎

耿博士这两篇文章写得很好，关闭过程和控制门级载流子，推荐阅读:

IGBT关闭过程是什么？ 第一：内部载流子的控制和分析 - 知乎

IGBT关闭过程是什么？二是门极电阻对剩余载流子的扫描过程影响机理 - 知乎

1.3 IGBT 退饱和过程及保护

退饱和半导体机制可以简单等效MOSFET部分门级预夹断。如图1-5所示，随着电流的增加，MOSFET导电通道关闭，导电通道阻抗迅速增加，IGBT进入退饱和，VCE电压迅速增加。

这里需要注意的是，预夹断并不等关闭沟道。预夹断前，沟内载流子不受门级控制，外围电路对集电极电流ICE起到控制作用。当门极电压Vge≥Vge(th)，且Vce>Vge-Vge(th)进入退饱和区后，此时流入N-基区电子电流In受门极电压控制，进而限制IGBT内部PNP晶体管的基极电流，最终的空穴电流Ip该区域也受到限制，因此IGBT集电极电流Ic进入线性区。

进入线性区后，IGBT的Vce退饱和检测电路可以通过电压快速上升来设计。如图1-6所示，当VCE二极管电压迅速升高Ddesat截止，DESAT电压被充电到阈值电压，从而触发驱动芯片对IGBT进行关断。

2.电感短路和直接短路

2.1 短路类型

在实际应用过程中，IGBT负载通常是感性负载。短路电感大小不同，IGBT短路波形也会有明显的差异。如果短路电路中的电感很小，则母线电压VDC直接加到IGBT两端，我们称之为一类短路。如图2-1所示，IGBT没有直接进入退饱和状态的导通过程。

如果短路电路中有一定的电感，则母线电压降落在电感的两端，电流呈现一定斜率的线性规律增加，达到一定值IGBT进入退饱和，电感上的电压会被抢到IGBT两端。如图2-2所示，可以说电感上的电压比较软IGBT抢过来。

2.2 桥臂直通短路

一般我们在实施一类短路测试的时候，通常会在对管（陪测管）并联“粗短铜排”。一方面，短路掉对管，排除对管开关动作对被测管的影响，更能准确的评估测试管的特性；另外一方面，可以利用对管的二极管进行续流，防止测试过程中反压导致测试管的击穿。

在实际应用中，桥臂直通短路通常是在两个管子都开启了DESAT保护功能进行的。桥臂直通（忽略回路电感），上下管的IGBT具有相同的电流，如果上下管IGBT特性一致，两个管子应该将各自承受一半的母线电压。

对于模块封装形式的IGBT，由于内部Layout的关系，很难做到上下管的对称封装结构。以HPDriver 为例（图2-3），红色为上管电流路径，绿色为下管电流路径。由于存在三个IGBT Chip并联，下管电流的等效电阻要大于上管电流的等效电阻。因此在上下管晶圆上存在分压不均的问题，下管的分压要大于上管。如果在相同的DESAT电路参数条件下，下管始终优先触发保护。

如图2-4，下桥IGBT保持开启，断开驱动互锁信号，上桥实施短路。VCE电压在短路器件始终未能抬升，这部分电压被下管IGBT“抢走”了，并且很快下管进入DESAT保护，限制短路电流的进一步增加（即使这时候还没有到上管触发DESAT保护），而上管的DESAT触发信号就比下管慢了很多。

从这个角度看，双保险的DESAT保护能够快速对短路进行响应，对桥臂直通短路的保护是有利的。

参考资料：

1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/279977278

2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/283856300

3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/338139843

4. https://zhuanlan.zhihu.com/p/442744455