IGBT的工作原理和工作特性

1、IGBT的工作原理和工作特性IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)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(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流， 使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)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 層的空穴（少子）， 對(duì)N 層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有 低的通態(tài)電壓。ffi 2-55 IGliT的簡(jiǎn)優(yōu)等破電希厲槪晶律宦悄幗IGBT的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi)：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

2、和開(kāi)關(guān)特性。IGBT的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs為參變量時(shí)，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 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 部分。在截止?fàn)顟B(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(wú) 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(dá)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

3、， 當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓 Ugs(th) 時(shí)， 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。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為 15V 左右。IGBT 的開(kāi)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(shí)，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(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò) MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)， 通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh ( 2 14 )式中Uj1JI結(jié)的正向電壓，其值為

4、 0.7IV ;Udr 擴(kuò)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：Ids=(1+Bpnp)Imos (2 15 )式中 Imos 流過(guò) 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 2 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。2 動(dòng)態(tài)特性 IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為 MOSFET 來(lái)運(yùn)行 的，只是在漏源電壓 Uds 下降過(guò)程后期， PNP 晶體 管由放大區(qū)至飽和， 又 增加了一段延遲時(shí)間。 td(on) 為開(kāi)通延遲時(shí)間， tri 為電流上升時(shí)間。

5、實(shí)際應(yīng) 用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間 ton 即為 td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時(shí) 間由 tfe1 和 tfe2 組成，如圖 2 58 所示/圖2-58開(kāi)通時(shí)IGBT的電流、電壓波形IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP 晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流 的下降時(shí)間 Tf由圖2 59中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān) 斷時(shí)間t(off)=td(off)+trv 十 t(f) ( 2 16 )式中，td(of

6、f)與trv之和又稱(chēng)為存儲(chǔ)時(shí)間! (；SlO圖259關(guān)斷時(shí)IGBT的電電壓波形IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)1 . IGBT的驅(qū)動(dòng)條件驅(qū)動(dòng)條件與IGBT的特性密切相關(guān)。設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電 路時(shí)，應(yīng)特別注意開(kāi)通特性、負(fù)載短路能力和dUds / dt引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題。正偏置電壓Uge增加，通態(tài)電壓下降，開(kāi)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(shí)，導(dǎo)通電壓將隨漏極 電流增大而增咼，開(kāi)通損耗將隨結(jié)溫升咼而升咼。* *電壓g"12STh)4 -圖2-62 正ffil置電壓與和E飾的笑系(J&敘切與!7b的蕓廉bl E/i&sctiNj與

7、Et取的關(guān)眾負(fù)偏電壓一 Uge直接影響IGBT的可靠運(yùn)行，負(fù)偏電壓增高時(shí)漏極浪涌電流明 顯下降，對(duì)關(guān)斷能耗無(wú)顯著影響，一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(mén)極電阻Rg增加，將使IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間增加；因而使 開(kāi)通與關(guān)斷能耗均增加。而門(mén)極電阻減少，則又使di/dt增大，可能引發(fā)IGBT誤導(dǎo)通，同時(shí) Rg上的損耗也有所增加。具體關(guān)系 如圖2-64。圖2-63電極浪浦電斷和關(guān)斷能耗占胖的關(guān)杲*> eUge與集電極根簡(jiǎn)電舐英瘵b> 一陸e與關(guān)斷能鞄國(guó)昭的茉疾由上述不難得知：IGBT的特性隨門(mén)板驅(qū)動(dòng)條件的變化而變化 ，就象雙極型晶 體管的

8、開(kāi)關(guān)特性和安全工作區(qū)隨基極驅(qū)動(dòng)而變化一樣。但是 IGBT所有特性不 能同時(shí)最佳化。雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)特性隨基極驅(qū)動(dòng)條件(Ib1 , Ib2 )而變化。然而， 對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)，正如圖2 63和圖2 64所示，門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件僅對(duì)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(kāi)通、短路負(fù)載容量上。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求可歸納如下:l ） IGBT 與 MOSFET都是電壓驅(qū)動(dòng)，都具有一個(gè) 2 .55V 的閾值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此 IGBT 對(duì)柵極電荷非常敏感故驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路與 IGBT 的連線要 盡量短。2 ）用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)

9、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(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外， IGBT 開(kāi)通后，柵極驅(qū)動(dòng)源 應(yīng)能提供足夠的功率，使 IGBT 不退出飽和而損壞。3 ）驅(qū)動(dòng)電路要能傳遞幾十 kHz 的脈沖信號(hào)4 ）驅(qū)動(dòng)電平十 Uge 也必須綜合考慮。 Uge 增大時(shí)， IGBT 通態(tài)壓降 和開(kāi)通損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)的 Ic 增大， IGBT 能承受短路電流的時(shí)間 減小，對(duì)其安全不利，因此在有短路過(guò)程的設(shè)備中 Uge 應(yīng)選得小些，一般 選 12 15V 。5 ）在關(guān)斷過(guò)程中，為盡快抽取PNP管的存儲(chǔ)電荷，須施加一負(fù)偏壓Uge, 但它受 IGBT 的 G 、 E 間最

10、大反向耐壓限制， 一般取 -1v - 10V6 ）在大電感負(fù)載下， IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)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(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路與控制電路 在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。8 ） IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，最好自身帶有對(duì) IGBT 的保 護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。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 V 0時(shí)，J3反偏，類(lèi)似反偏二極管，IGBT反向阻斷；2 .當(dāng)Uce > 0時(shí)，

11、在UcvUth的情況下，溝道未形成，IGBT正向阻斷； 在 U o > Uth情況下，柵極的溝道形成， N+區(qū)的電子通過(guò)溝道進(jìn)入 N 一 漂移區(qū)，漂移到 J3 結(jié)，此時(shí) 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? . IGBT的關(guān)斷。在 IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，當(dāng)柵極電壓減至為零， 此時(shí)Ug = 0 V Uth，溝道消失，通過(guò)溝道的電子電流為零，使Ic有一個(gè)突 降。但由于N 區(qū)注入大量電子、空穴對(duì)，IC不會(huì)立刻為零，而有一個(gè)拖尾 時(shí)間。圖260風(fēng)有寄生晶體管 的IGBT錚效電路IGBT為四層結(jié)構(gòu)，體內(nèi)存在一個(gè)奇生晶體管，其等效電路如圖2

12、60所示。 在V2的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)擴(kuò)展電阻Rbr，在此電阻上P型體區(qū)的橫向空穴會(huì)產(chǎn)生一定壓降，對(duì) J3結(jié)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的漏 極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不大，V2不起作用，當(dāng)Id大到一定程度時(shí)，該正偏置電壓足以使 V2開(kāi)通，進(jìn)而使 V2和V3處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶 體管開(kāi)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(guò)高功耗，導(dǎo)致?lián)p壞?？梢?jiàn)，漏極電流有一個(gè)臨界值Idm o， 當(dāng)Id > Idm時(shí)便會(huì)產(chǎn)生擎住效應(yīng)。在IGBT關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，假若dUds / dt過(guò)高，那么在J2結(jié)中引起的位移電流 Cj2 （ dUd

13、s/d t ）會(huì)越大，當(dāng)該電流流過(guò)體區(qū)擴(kuò)展電阻 Rbr時(shí)， 也可產(chǎn)生足以使晶體管 V2開(kāi)通的正向偏置電壓，滿足寄生晶體管開(kāi)通擎住的 條件，形成動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。使用中必須防止IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)，為此可限制Idm值，或者用加大柵極電阻 Rg的辦法延長(zhǎng)IGBT關(guān)斷時(shí)間，以減 少 d Uds /d t 值。值得指出的是，動(dòng)態(tài)擎住所允許的漏極電流比靜態(tài)擎住所允許的要小，放生 產(chǎn)廠家所規(guī)定的）Id值是按動(dòng)態(tài)擎住所允許的最大漏極電流來(lái)確定的。安全工作區(qū)安全工作區(qū)（SO A ）反映了一個(gè)晶體管同時(shí)承受一定電壓和電流的能力。 IGBT開(kāi)通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA ），由電流、電壓和功耗三條邊 界極限包圍而成。最大漏極電流I dm是根據(jù)避免動(dòng)態(tài)擎住而設(shè)定