現在我們把時間變量加入,進行電荷總量
的瞬態(tài)分析。
當柵極電壓低于閾值電壓,IGBT內部存儲的電荷開始衰減,衰減過程是因為載流子壽命有限而自然復合,表達式如下:
需要注意的是,在求解(6-39)的過程中,不能直接將(6-38)作為初始值,因為在關斷的一瞬間,溝道電流的突然消失,即上一節(jié)中 到
的變化,會導致IGBT體內電荷的突然減小,將電荷初始值記為
,顯然
。
的具體數值取決于關斷之前
的大小,感興趣的讀者可以自行推導,這里不再贅述。(6-39)很容易積分求解,
隨時間
成e指數關系衰減,即
例如,,假設在
且保持不變的情況(關斷過程顯然不是這樣,下面會再討論
隨時間變化)存儲電荷衰減隨載流子壽命變化的衰減趨勢如圖所示。
顯然,隨著載流子壽命的減少,電荷衰減速度加快。因為電流表征了電荷隨時間的變化率(電荷的時間微分),利用(6-39)和(6-40),乘以系數,也就得到瞬態(tài)中電流隨時間的變化關系。
在上一節(jié)中,我們定性地說明了在關斷瞬間 和
的突變,這里我們推導一下理論上這個變化究竟是多大。
在關斷瞬間,溝道夾斷,處的電子電流
,根據上一章的穩(wěn)態(tài)分析中對電子電流和空穴電流與總電流的關系,參考(6-6)式,
此時多余載流子空穴的分布不變,參考(6-10),
可以計算得到(6-41)第二項的微分表達式,即
同時,很容易推導雙極性擴散長度與空穴擴散長度之間的關系如下(過程省去,讀者可以自行推導),
將(6-42)和(6-43)帶入(6-41),就可以得到關斷瞬間與
之間的關系為(令
),
接下來,只需將和
的關系帶入(6-44),即可得出
和
的關系。
引用穩(wěn)態(tài)分析中(6-11),即為和
的關系,因為在這一瞬間,內多余載流子濃度分布并不會發(fā)生變化,即,
將(6-45)帶入(6-44),即得到,
根據(6-46),關斷瞬間電流突變的幅度取決于芯片厚度和擴散長度
,后者又取決于遷移率和載流子壽命。
令,電流突變率,
隨芯片厚度
、遷移率
和載流子壽命
的變化趨勢如下圖所示:
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