IGBT 的工作原理和工作特性參考模板

1、IGBT 的工作原理和工作特性     IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅(qū)動方法和 MOSFET 基本相同，只需控制輸入極 N 一溝道 MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。 當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從 P+ 基極注入到  N 一層的空穴（少子），對 N 一層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N一層的電阻，使 IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。    &

2、#160;  IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類：       1 靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和    開關(guān)特性。       IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時，漏極電流與    柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 Ugs 的控 制， Ugs 越高， Id 越大。它與2 / 10 GTR 的輸出特性相似也可分為飽和區(qū) 1 、放大區(qū) 2 和擊穿特性 3

3、 部分。在截止狀態(tài)下的 IGBT ，正向電壓由 J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由 J1 結(jié)承擔(dān)。如果無  N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入 N+ 緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些應(yīng)用范圍。       IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓 Ugs(th) 時， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在 IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與 Ugs 呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最

4、大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V 左右。       IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系.IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時，由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過 MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示                  

5、;  Uds(on) Uj1 Udr IdRoh  （ 2 14 ）    式中 Uj1 JI 結(jié)的正向電壓，其值為 0.7 IV ；         Udr 擴展電阻 Rdr 上的壓降；         Roh 溝道電阻。    通態(tài)電流 Ids 可用下式表示：         

6、0;               Ids=(1+Bpnp)Imos         (2 15 ）    式中 Imos 流過 MOSFET 的電流。        由于 N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以 IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V 的 IGBT 通態(tài)壓降為  

7、;  2  3V 。       IGBT 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。       2 動態(tài)特性 IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為   MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓 Uds 下降過程后期， PNP 晶體    管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。 td(on) 為開通延遲時間，   tri 為電流上升時間。實際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時間 ton 即為

8、 td (on)  tri  之和。漏源電壓的下降時間由 tfe1  和 tfe2 組成，如圖 2 58 所示      IGBT 在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?MOSFET 關(guān)斷后， PNP 晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間， td(off) 為關(guān)斷延遲時間， trv 為電壓 Uds(f) 的上升時間。實際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時間  Tf  由圖 2 59 中的  t(f1)  和 t(f2) 兩段組成，而

9、漏極電流的關(guān)斷時間                           t(off)=td(off)+trv 十 t(f) （ 2 16 ） 式中， td(off) 與 trv 之和又稱為存儲時間。            

10、0;            IGBT 的驅(qū)動與保護技術(shù) 1 IGBT 的驅(qū)動條件驅(qū)動條件與 IGBT 的特性密切相關(guān)。設(shè)計柵極驅(qū)動電路時，應(yīng)特別注意開通特性、負載短路能力和    dUds dt 引起的誤觸發(fā)等問題。 正偏置電壓 Uge 增加，通態(tài)電壓下降，開通能耗 Eon 也下降，分別如圖 2 62 a  和 b 所示。由圖中還可看出，若十 Uge 固定不變時，導(dǎo)通電壓將隨漏極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫升高而升高。  

11、    負偏電壓一 Uge 直接影響 IGBT 的可靠運行，負偏電壓增高時漏極浪涌電流明顯下降，對關(guān)斷能耗無顯著影響， Uge 與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗 Eoff  的關(guān)系分別如圖  2 63 a  和  b 所示。 門極電阻 Rg  增加，將使 IGBT 的開通與關(guān)斷時間增加；因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而門極電阻減少，則又使 di/dt 增大，可能引發(fā) IGBT 誤導(dǎo)通，同時 Rg 上的損耗也有所增加。具體關(guān)系如圖 2-64 。       由上述不難得知：

12、IGBT 的特性隨門板驅(qū)動條件的變化而變化 , 就象雙極型晶體管的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨基極驅(qū)動而變化一樣。但是 IGBT 所有特性不能同時最佳化。      雙極型晶體管的開關(guān)特性隨基極驅(qū)動條件（ Ib1 ， Ib2 ）而變化。然而，對于  IGBT 來說，正如圖  2 63 和圖  2 64 所示，門極驅(qū)動條件僅對其關(guān)斷特性略有影響。因此，我們應(yīng)將更多的注意力放在 IGBT  的開通、短路負載容量上。      對驅(qū)動電路的要求可歸納如下：   

13、60; l ）   IGBT 與  MOSFET 都是電壓驅(qū)動，都具有一個   2  5 5V  的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此 IGBT 對柵極電荷非常敏感故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與 IGBT 的連線要盡量短。     2 ）用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓 Uge, 有足夠陡的前后沿，使 IGBT 的開關(guān)損耗盡量小。另外， IGBT 開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的功率，使 IGBT 不退出飽和而損壞。 &

14、#160;   3 ）驅(qū)動電路要能傳遞幾十    kHz 的脈沖信號。     4 ）驅(qū)動電平十 Uge 也必須綜合考慮。 Uge 增大時，  IGBT  通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負載短路時的 Ic 增大， IGBT 能承受短路電流的時間減小，對其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中 Uge 應(yīng)選得小些，一般選    12  15V 。     5 ）在關(guān)斷過程中，為盡快抽取  PNP

15、 管的存儲電荷，須施加一負偏壓 Uge,   但它受 IGBT 的 G 、 E 間最大反向耐壓限制，一般取 -1v - 10V 。    6 ）在大電感負載下， IGBT 的開關(guān)時間不能太短，以限制出 di/dt 形成的尖峰電壓，確保 IGBT 的安全。    7 ）由于  IGBT 在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴格隔離。  8 ）   IGBT 的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，最好自身帶有對 IGBT 的保護功能，有較強的抗干擾能

16、力。IGBT 的擎住效應(yīng)與安全工作區(qū) 擎住效應(yīng)      在分析擎住效應(yīng)之前，我們先回顧一下 IGBT 的工作原理（這里假定不發(fā)生擎住效應(yīng)）。     1 當(dāng) Uce 0 時， J3 反偏，類似反偏二極管， IGBT 反向阻斷；     2 當(dāng) Uce 0 時，在 Uc<Uth 的情況下，溝道未形成，  IGBT 正向阻斷；在   U 。 Uth 情況下，柵極的溝道形成，    N+ 區(qū)的電子通過溝道進入 N

17、一漂移區(qū)，漂移到 J3 結(jié)，此時 J3 結(jié)是正偏，也向 N 一區(qū)注入空穴，從而在 N 一區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使 IGBT 正向?qū)ā?    3    IGBT 的關(guān)斷。在    IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)時，當(dāng)柵極電壓減至為零，此時 Ug 0 Uth ，溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使 Ic 有一個突降。但由于 N 一區(qū)注入大量電子、空穴對， IC 不會立刻為零，而有一個拖尾時間。      IGBT 為四層結(jié)構(gòu)，體內(nèi)存在一個奇生晶體管，其等效電路如圖 2

18、60 所示。在 V2 的基極與發(fā)射極之間并有一個擴展電阻 Rbr ，在此電阻上 P 型體區(qū)的橫向空穴會產(chǎn)生一定壓降，對 J3 結(jié)來說，相當(dāng)于一個正偏置電壓。在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，這個正偏置電壓不大， V2 不起作用，當(dāng) Id 大到一定程度時，該正偏置電壓足以使 V2 開通，進而使 V2 和 V3 處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶體管開通，柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng) .IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后，漏極電流增大，造成過高功耗，導(dǎo)致?lián)p壞。可見，漏極電流有一個臨界值 Idm 。，當(dāng) Id Idm 時便會產(chǎn)生擎住效應(yīng)。      在   IGBT 關(guān)斷的動態(tài)過程中，假若   dUds dt 過高，那么在 J2 結(jié)中引起的位移電流   Cj2 （  dUds/d t ）會越大，當(dāng)該電流流過體區(qū)擴展電阻 Rbr 時，也可產(chǎn)生足以使晶體管 V2 開通的正向偏置電壓，滿足寄生晶體管開通擎住的條件，形成動態(tài)擎住效應(yīng)。使用中必須防止 IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)，為此可