淺談門級驅動電壓對IGBT性能的影響

絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）是復合了功率場效應管和電力晶體管的優點而產生的一種新型復合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩定性好、驅動電路簡單、飽和壓降低、耐壓高電流大等優點，因此現今應用相當廣泛。但是IGBT良好特性的發揮往往因其門級驅動電路上的不合理，制約著IGBT的推廣及應用。

無論是MOSFET還是IGBT，都是受門極控制的器件。在相同電流的條件下，一般門極電壓用得越高，導通損耗越小。因為門極電壓越高意味著溝道反型層強度越強，由門極電壓而產生的溝道阻抗越小，流過相同電流的壓降就越低。不過器件導通損耗除了受這個門極溝道影響外，還和芯片的厚度有很大的關系，一般越薄的導通損耗越小，所以同等芯片面積下寬禁帶的器件導通損耗要小得多。而相同材料下耐壓越高的器件就會越厚，導通損耗就會變大。這種由芯片厚度引起的導通損耗不受門極電壓影響，所以器件耐壓越高，門極電壓即使進一步增大對導通損耗貢獻是有限的。門極的正壓對降低開關損耗也是有幫助的。因為開通的過程相當于一個對門極電容充電的過程，初始電壓越大，充電越快，一般來說開通損耗越小。而關斷損耗則受門極負壓影響，幾乎不受門極正電壓影響。

凡事有得有失，雖然門極電壓高對導通損耗和開通損耗都好，但是會犧牲短路性能。下式為MOSFET短路電流的理論公式，IGBT短路行為與MOSFET類似。式中μn為電子的遷移速率，Cox為單位面積柵氧化層電容，W/L為氧化層寬長比，Vgs為驅動正電壓，Vth為門極閾值電壓。從式中可以看出，門極正電壓越大，電流會明顯上升。

比如IGBT在門極電壓15V下有10μs的短路能力，但在門極16V時，短路能力會下降到7μs不到。

無論對IGBT還是SiC MOSFET來說，使用的門極正電壓越高，導通損耗和開通損耗都會降低，對整體開關效率有利。但是會影響器件的短路耐受能力。如果在使用SiC MOSFET時不需要短路能力的話，建議適當提高門極的正電壓。