IGBT 的工作原理和工作特性

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—层进行电导调制，减小N—层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。*>HM«Nl^.l'L股时骷黑r.r加.m蔚551GBJ'的閒牝璋锻电為图工昭N沟迥増鄭刘唯擁fll慎极矗体厲粉卿MUAPffi/□?IGBT舉陪母行号|?|2-56N-IGBT的图形帘号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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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LU2-58开通时1GBT的电流、电压波形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。IGBT的驱动与保护技术.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。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IGBT的开通、短路负载容量上。对驱动电路的要求可归纳如下：）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。）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。）驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。）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12〜15V。）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）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。）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。）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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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）。.当UceV0时，J3反偏，类似反偏二极管，IGBT反向阻断；.当Uce>0时，在UcvUth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—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。.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=0VUth，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 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 延长IGBT关断时间，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。1000V/Fs^c"y“加b)图卜61IGBT的安全工作区a)1GBT的正向赠覽b)IGBT的反向偏・IGBT的反向偏置安全工作区(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。