IGBT 的工作原理和工作特性 - 北京晶川.PDF

北京晶川电子――英飞凌中国一级代理 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。 北京晶川电子――英飞凌中国一级代理 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 tfe 1 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。