IGBT 的工作原理和工作特性.doc

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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。 IGBT 的工作特性包括静态和动态两类： 1 静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和 开关特

2、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

3、，当栅源电压小于开启电压 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 ；

4、Udr 扩展电阻 Rdr 上的压降； Roh 沟道电阻。 通态电流 Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos(2 15 ） 式中 Imos 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 2 3V 。 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

5、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 tfe2 组成，如图 2 58 所示 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

6、存储时间。 IGBT 的驱动与保护技术 1 IGBT 的驱动条件驱动条件与 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 62a 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。 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， Uge 与集电极浪涌电流和关断能耗 Eoff 的关系分别如图 2 63a 和 b 所示

7、。 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 2-64 。 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 ， Ib2 ）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 IG

8、BT 的开通、短路负载容量上。 对驱动电路的要求可归纳如下： l ） IGBT 与 MOSFET 都是电压驱动，都具有一个 2 5 5V 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

9、。 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 12 15V 。 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合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。 8 ） IG

10、BT 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 0 时， J3 反偏，类似反偏二极管， IGBT 反向阻断； 2 当 Uce 0 时，在 UcUth 的情况下，沟道未形成， IGBT 正向阻断；在 U 。 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

11、IGBT 的关断。在 IGBT 处于导通状态时，当栅极电压减至为零，此时 Ug 0 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。 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

12、饱和状态，于是寄生晶体管开通，栅极失去控制作用，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/dt ）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

13、间，以减少 dUds/dt 值。 值得指出的是，动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住所允许的要小，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（ SOA ）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 Idm 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。 IGBT 的反向偏置安

14、全工作区（ RBSOA ）如图 2 61b 所示，它随 IGBT 关断时的 dUds dt 而改变， dUds dt 越高， RBSOA 越窄。8作窄越 工 高特 性 ， 时关 ， 如 作全置 。示 ，窄工，越，越导定结高是耗，定电 晶 是 压漏，住动据 流大成围极三功电由） 区全偏正开 。力和定承管晶了） 区安区作。定来极最所住是 定厂放要允住态电的所态，得。 减间时 的 阻大者值 制可为擎 必用效态动，住管晶足压向正开管使生也， 扩流电，越 （ 电移起 ， ，过的 在。住便 当 一有，。损耗过成流漏应住发 .住谓所，作去，管生，态处 和 进开 使压正时定大 当作 ，不偏这内流极在压正个相结

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