IGBT 的工作原理和工作特性.docx

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槁体管供应基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消退沟道，流过反向基极电流,使IGBT关断，IGBT的骚动方法和MoSFET基本相同，只需限制输入极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为参变我时，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的输出特性相像.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结担当，反向电压由Jl结担当。假如无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+慑冲区后，反向关断电压只能达到儿十伏水平，因此限制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C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棺用内，Id与Ugs呈线性关系C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)=Ujl+Udr+IdRoh(2-14)式中UjlJI结的正向电压，其值为0.7IV;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(215)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100OV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UdsF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del和tfe2组成，如图2-58所示图2-58开通时IGBT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晶体管的存储电荷堆以快速消退，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。实际应用中经常给出的漏极电流的下降时间Tf由图2-59中的t(fl)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。(<；SU>1.'us<t>MOSEET电it)GTR电旗图2-59关断时IGBT的电流、电压波形IGBT的驱动与受护技术1.IGBT的驱动条件驱动条件与IGBT的特性亲密相关。设计棚极骐动电路时，应特殊留意开通特性、负载短路实力和dUdsZdt引起的误触发等问题。正偏置电压Uge增加，通态电压卜降，开通能耗Eon也卜降，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，开通损耗将随结温上升而上升。gc;:2-62正归电乐“taw,与Ue”良的关系Uc3*>与(rv的美廉b)<Gt(Wi£r««第关系负偏电压一Uge干脆影响IGBT的牢猫运行，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。而门极电阻削减，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。详细关系如图2-640图2-63-UJ与集电极浪消电懂和关断能耗Ehm的箕系>-3与电保笊帚电施关系b)-Us与关厮抵疑后”的美新由匕述不难得知：IGBT的特性随门板共动条件的变更而变更，就象双极型晶体管的开关特性和平安工作区随基极驱动而变更一样。但是IGBT全部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(Ibl,Ib2)而变更。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，我们应将更多的留意力放在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对栅极电荷特别敏感故强动电路必需很牢靠，要保证有一条低阻抗值的放电I可路，即驱动电路与IGBT的连线要尽成短。2 ）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极限制电压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,椭极共动源应能供应足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。3 ）飘动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4 ）驱动电平十Uge也必需综合考虑。+Uge增大时，IGBT通态压降和开通损耗均产降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其平安不利，因此在有短路过程的设备中UgC应选得小些，一般选1215Vo5 ）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，-般取-IvIOV。6 ）在大电感负我下，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的平安。7 ）由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与限制电路在电位上应严格隔离。8 ）IGBT的栅极曲动电路应尽可能简洁好用，最好自身带存对IGBT的爱护功能，有较强的抗干扰实力。拿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UCeVo时，J3反偏，类似反偏二极管，IGBT反向阻断；2 .当Uce>0时，在Uc<Uth的状况下，沟道未形成，IGBT正向阻断；在Uo>Uth状况下，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。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,沟道消逝，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不会立即为零，而有一个拖尾时间。图2-60具有寄生Inl停管的IGBT等效电1»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的基极与放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肯定压降，对J3结来说，相当于一个正偏量电压。在规定的漏极电流范国内，这个正偏置电压不大，V2不起作用，当Id大到肯定程度时，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，栅极失去限制作用，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，假如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，满意寄生晶体管开通学住的条件，形成动态擎住效应。运用中必需防止IGBT发生攀住效应，为此可限制Idm值，或者用加大栅极电阻Rg的方法延长IGBT关断时间，以削减dUdsdt值。值得指出的是，动态擎居处允许的漏极电流比静态擎居处允许的要小,放生产厂家所规定的)Id值是按动态攀居处允许的最大漏极电流来确定的。平安工作区（so）反映r一个晶体管同时承受肯定电压和电流的实力。IGBT开通时的正向偏置平安工作区（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是依据避开动态攀住而设定的，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确定。导通时间越长，发热越严竣，平安工作区则越窄，如图2-610所示。用2-6lIGBT的安全工作区）1GBT的正向值量b）IGBT的反向偏量IGBT的反向偏置平安工作区（RBSOA）如图2-61b所示,它随IGBT关断时的dUds/dt而变更，CiUds/dt越高,RBSOA越窄。