《IGBT 的工作原理和工作特性.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IGBT 的工作原理和工作特性.docx（8页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、IGBT的工作原理和工作特性IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极 电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使 IGBT关断.IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N 一沟 道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N 一层的空穴（少子），对 N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的 通态电压.障村相也咕戢型地株HI哉招乩咨官站担图555 的句化奇电胳ffi i. 31 的圈最可号IGBT的工作特性包括静态和动态两类：1 .静态特性IGBT
2、的静态特性主要有伏安特性、转移特性和 开关特性.IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与 栅极电 压之间的关系曲线.输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id 越大。它与GTR的输出特性相似.也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性 3部分.在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承 担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲 区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了 IGBT的某些应用范围。IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。 它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开
3、启电压Ugs (th)时，IGBT 处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性 关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系.IGBT处于导通态 时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路 为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分.此时， 通态电压Uds (on)可用下式表示Uds (on) = Uj1 + Udr + IdRoh ( 2 - 14 )式中Uj1 JI结的正向电压，其值为0。7 IV ；Udr扩展电阻Rdr上的压降；Roh沟道
4、电阻。通态电流Ids可用下式表示：Ids= (1+Bpnp) Imos(2 15 )式中Imos -一流过MOSFET的电流.由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的 IGBT通态压降为 23V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。2 .动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为 MOSFET来运行 的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体 管由放大区至饱和，又 增加了一段延迟时间。td (on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应 用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td (on) tri之和。漏源电压的下降 时间由tfe1和tfe
5、2组成，如图2 58所示in 2-5B开通时IGBT的电流，电压披形IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为 关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极 电流的下降时间Tf由图2 - 59中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电 流的关断时间t(off) =td (off)+trv 十 t (f)( 2 16 )式中，td(off)与trv之和又称为存储时间.图2-59 关断时IGBT的电海、电压澳形IGBT的驱动与保护技术1 . IGBT的驱动条
6、件驱动条件与IGBT的特性密切相关。设计栅极驱动电 路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和 dUds / dt引起的误触发等问 题。正偏置电压Uge增加，通态电压下降，开通能耗Eon也下降，分别如图2 - 62 a和b所示。由图中还可看出，若十Uge固定不变时，导通电压将随漏极 电流增大而增高，开通损耗将随结温升高而升高。5 IX) 5 2Dflffidlffi 打n 50S 2-62 正偏置电压口眼枷与Um和芯加的关系)与e的美系 b) 7砌mh月的矣系负偏电压一 Uge直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明 显下降，对关断能耗无显著影响，一Uge与集电极浪涌电流和关断能
7、耗 Eoff的关系分别如图2 - 63 a和b所示。门极电阻Rg增加，将使IGBT的开通与关断时间增加；因而使 开通与关断能耗均增加。而门极电阻减少，则又使di/dt增大，可 能引发IGBT误导通，同时Rg上的损耗也有所增加。具体关系如 图 264。TK一 EU-S:陌就寤嵋擎囹2*3 Uw.与集电极浪涌电流和美断能耗的关系 Uge与觐电榻粮浦危疏关系 b） Uge为美断能槎Amr的美凝由上述不难得知：IGBT的特性随门板驱动条件的变化而变化，就象双极型 晶体管的开关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。但是IGBT所有特性 不能同时最佳化。双极型晶体管的开关特性随基极驱动条件（Ib1， Ib
8、2）而变化。然而， 对于IGBT来说，正如图2 - 63和图2 - 64所示，门极驱动条件仅对其 关断特性略有影响。因此，我们应将更多的注意力放在IGBT的开通、短路负 载容量上。对驱动电路的要求可归纳如下:1 ） IGBT与 MOSFET都是电压驱动，都具有一个 2 . 55V的阈 值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感故驱动电路必 须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽 量短.2 ）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压Uge,有足够 陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源 应能提供足够的
9、功率，使IGBT不退出饱和而损坏.3 ）驱动电路要能传递几十 kHz的脉冲信号.4 ）驱动电平十Uge也必须综合考虑。+ Uge增大时，IGBT通态压降 和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减 小,对其安全不利，因此在有短路过程的设备中Uge应选得小些，一般选 1215V。5 ）在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，须施加一负偏压 Uge,但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制，一般取-1v 10V .6 ）在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制出di/dt形成的尖 峰电压，确保IGBT的安全.7 ）由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场
10、合，故驱动电路与控制电路 在电位上应严格隔离。8 ） IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保 护功能，有较强的抗干扰能力.IGBT的擎住效应与安全工作区擎住效应在分析擎住效应之前，我们先回顾一下IGBT的工作原理（这里假定不发生 擎住效应）。1 .当Uce V 0时，J3反偏，类似反偏二极管，IGBT反向阻断；2 .当Uce 0时，在Uc Uth情况下，栅极的沟道形成，N+区的电子通过沟道进入N 一 漂移区，漂移到J3结，此时J3结是正偏，也向N 一区注入空穴，从而在N 一区产生电导调制，使IGBT正向导通。3 . IGBT的关断.在IGBT处于导通状态时，当栅极电
11、压减至为零，此 时Ug = 0 V Uth，沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使Ic有一个突降。 但由于N 一区注入大量电子、空穴对，IC不会立刻为零，而有一个拖尾时间.os陶具有寄生晶体管 的IGBT等效电路IGBT为四层结构，体内存在一个奇生晶体管，其等效电路如图2 - 60所示. 在V2的基极与发射极之间并有一个扩展电阻Rbr，在此电阻上P型体区的 横向空穴会产生一定压降，对J3结来说，相当于一个正偏置电压。在规定的漏 极电流范围内，这个正偏置电压不大，V2不起作用，当Id大到一定程度时， 该正偏置电压足以使V2开通，进而使V2和V3处于饱和状态，于是寄生晶 体管开通，栅极失去控制作用，
12、这就是所谓的擎住效应IGBT发生擎住效应后， 漏极电流增大，造成过高功耗，导致损坏.可见，漏极电流有一个临界值Idm。， 当Id Idm时便会产生擎住效应.在IGBT关断的动态过程中，假若dUds / dt过高，那么在J2结中引 起的位移电流 Cj2 （ dUds/d t）会越大，当该电流流过体区扩展电阻Rbr时， 也可产生足以使晶体管V2开通的正向偏置电压，满足寄生晶体管开通擎住的 条件，形成动态擎住效应。使用中必须防止IGBT发生擎住效应，为此可限制 Idm值，或者用加大栅极电阻Rg的办法延长IGBT关断时间，以减 少 d Uds /d t 值。值得指出的是，动态擎住所允许的漏极电流比静态
13、擎住所允许的要小，放生产 厂家所规定的）Id值是按动态擎住所允许的最大漏极电流来确定的。安全工作区安全工作区（SO A ）反映了一个晶体管同时承受一定电压和电流的能力. IGBT开通时的正向偏置安全工作区（FBSOA ），由电流、电压和功耗三条边界 极限包围而成。最大漏极电流I dm是根据避免动态擎住而设定的，最大漏源 电压Udsm是由IGBT中晶体管V3的击穿电压所确定，最大功耗则是由最 高允许结温所决定.导通时间越长，发热越严重，安全工作区则越窄，如图2 - 61。所示.而加0b)2DOUV加日 piuift/dtIS 2 61 IGBT的安全工柜区时1G8T的正向仙暨b） IGBT的反向偏量IGBT的反向偏置安全工作区（R BSO A ）如图2 61b所示，它随IGBT关断时的d Uds / d t而改变,d Uds / dt越高,RBSOA越窄。
