IGBT的工作基本知识和工作特性.docx

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IGBT的工作基本知识和工作特性

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  

 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

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2－62 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。

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 2－63 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：

    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。

＋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）  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＜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/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。

 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。