絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為電力電子領域中至關重要的元件，其關斷過程的分析對于理解其性能和應用至關重要。IGBT結合了雙極型晶體管（BJT）和場效應晶體管（MOSFET）的優勢，具有導通特性好、開關速度快等特點。下面，我們將從IGBT的關斷波形、關斷時間的影響因素、以及關斷過程中的具體階段等方面，對其關斷過程進行詳細分析。

一、IGBT關斷波形及時間表達式

IGBT的關斷波形大致可以分為三個階段：

1. 關斷延遲時間? td(off)?：從柵極電壓開始下降到溝道電流開始顯著減小的時間段。
2. 電壓上升與電流下降時間 Δt：在關斷過程中，電壓上升到10%而電流下降到90%的時間段。
3. 關斷下降時間 tf：從電流下降到90%到電流幾乎為零的時間段。

IGBT的關斷時間 toff? 可以表達為：

二、關斷過程的具體階段

1. 關斷延遲時間 td(off)?

在關斷初期，柵極電壓 Vgs? 開始下降，MOSFET的門極電壓逐漸減小至Miller平臺電壓 Vmr?。此時，漏源電壓 Vds? 增大至最大值Vds(max)?，而漏源電流 Ids? 保持不變。由于 Ib?=Ids?，BJT的集射極電流 Ice?也保持不變。此階段為MOSFET行為主導，因此關斷延遲時間 td(off)? 主要由MOSFET的固有參數決定，如柵極驅動電阻 RG?、柵源電容CGS?、柵漏電容 CGD?、柵源跨導 gfs? 等。

關斷延遲時間的計算公式為：

2. 電壓上升與電流下降時間 Δt

當柵極電壓繼續下降，MOSFET進入Miller平臺區，此時漏源電壓 Vds? 迅速上升，而漏源電流 Ids? 仍然保持不變。由于BJT的集射極電流Ice? 受 Ib? 控制，因此在該階段 Ice? 也保持不變。Δt 時間的計算公式為：

3. 關斷下降時間 tf

當柵極電壓降至閾值電壓以下時，MOSFET的溝道反型層消失，溝道電流 IMOS? 迅速下降為零。此時，IGBT的電流主要由BJT部分承載，即I(t)=IC(BJT)?(t)。隨著n?區過剩載流子空穴的復合，電流逐漸下降至零，此過程稱為階段II，是關斷電流下降時間 tf? 的主要組成部分。

三、關斷時間的影響因素

1. 電壓對關斷時間的影響

隨著集電極-發射極電壓 VCE? 的增大，J2結耗盡層寬度逐漸增大，導致 ΔI 變小(ΔI 為階段I中電流的變化量)。若保持導通電流 I0? 不變，則I1?(階段II開始時的電流)增大，進而關斷時間延長。因此，在相同電流下，VCE? 越大，關斷時間越長。

2. 電流對關斷時間的影響

隨著IGBT電流的增大，BJT的電流放大系數 β 逐漸減小，導致 ΔI 占 I0? 的比例增大，而拖尾電流占總電流 I0?的比例減小，進而關斷時間縮短。特別地，當電流較小時，關斷時間很長，且隨電流的增大迅速縮短;當電流大于一定值時，關斷時間恢復至正常值附近，并隨電流的增大緩慢減小。

四、關斷過程中的物理機制

在IGBT的關斷過程中，物理機制主要涉及載流子的復合與耗盡層的變化，這些變化直接影響了電流和電壓的動態行為。

1. 載流子復合

在IGBT關斷階段，特別是在關斷下降時間tf期間，n型基區（n-base）中的過剩載流子（主要是空穴）開始復合。這些空穴在IGBT導通期間由p+集電極注入，并在n型基區中積累，以維持BJT部分的導通狀態。當柵極電壓降至閾值以下，MOSFET溝道關閉，無法再為BJT提供基極電流，此時n型基區中的空穴開始通過復合過程消失。復合過程主要包括直接復合和通過復合中心的間接復合，這些過程的速度決定了電流下降的速度。

2. 耗盡層擴展

隨著集電極-發射極電壓VCE的上升，J1（發射極-基極）和J2（集電極-基極）結的耗盡層開始擴展。耗盡層的擴展增加了電阻，限制了電流的流動。特別是在J2結，耗盡層的擴展減少了n型基區向集電極的電荷注入，進一步加速了電流的下降。此外，耗盡層的擴展還改變了電場分布，影響了載流子的遷移率和擴散過程。

3. 拖尾電流

在關斷過程的后期，會出現一段拖尾電流。這是因為在n型基區中，部分空穴由于距離復合中心較遠或復合速率較低，無法在短時間內完全復合。這些剩余的空穴繼續向集電極擴散，形成拖尾電流。拖尾電流的存在增加了關斷時間，并可能產生額外的熱量和電壓應力。為了減少拖尾電流，可以采取一些措施，如優化n型基區的摻雜濃度和厚度，引入復合中心等。

4. 溫度效應

溫度對IGBT的關斷過程也有顯著影響。隨著溫度的升高，載流子的遷移率和擴散系數增加，復合速率也加快。這通常會導致關斷時間縮短，但也可能導致電流和電壓的波動增加。此外，高溫還可能降低IGBT的擊穿電壓和長期可靠性。因此，在設計IGBT系統和控制策略時，必須考慮溫度的影響。

五、優化IGBT關斷性能的策略

1. 優化柵極驅動電路 ：減小柵極電阻RG，使用快速響應的驅動芯片，可以縮短關斷延遲時間和電壓上升時間。
2. 改進器件結構 ：通過優化n型基區的摻雜濃度和厚度，引入復合中心等措施，可以減少拖尾電流，縮短關斷時間。
3. 溫度管理 ：采用有效的散熱措施，如增加散熱片、使用熱管等，可以降低IGBT的工作溫度，提高關斷性能和長期可靠性。
4. 軟關斷技術 ：通過控制柵極電壓的下降速率，實現IGBT的軟關斷。軟關斷可以減少關斷過程中的電壓和電流過沖，降低電磁干擾和應力。
5. 智能控制策略 ：結合系統的工作狀態和負載特性，采用智能控制策略來優化IGBT的開關過程。例如，在輕載或空載情況下降低開關頻率，以減少開關損耗和熱量產生。

綜上所述，IGBT的關斷過程是一個復雜的物理和化學過程，涉及載流子的復合、耗盡層的擴展、拖尾電流的產生以及溫度效應等多個方面。通過深入理解這些機制和影響因素，并采取有效的優化策略，可以顯著提高IGBT的關斷性能和系統的整體性能。