介绍IGBT工作原理

IGBT工作原理

方法

IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。实现一个较高的击穿电压BVDSS一个源漏通道，而通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

导通    <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有部分)。如等效电路图(图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和 N+ 区创建了一个J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，出现一个电子流，并功率 MOSFET的方式产生一股电流。电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，空穴注入N-区内，并阴阳极的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)； 空穴电流(双极)。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

关断    <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在下，MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则降低，这是换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低，取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

阻断与闩锁    <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

当集电极被施加一个反向电压时， J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，，机制十分重要。另一，过大地区域尺寸，就会连续地提高压降。 第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度) PT 器件的压降高的原因。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N J3结受反向电压控制。，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

IGBT在集电极与发射极有一个寄生PNPN晶闸管，如图1。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极的电流量，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不，与器件的有密切关系。通常下，静态和动态闩锁有如下主要区别：   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

当晶闸管导通时，静态闩锁出现。 只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区 。 为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施： 防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。 降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。 此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有的影响，，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。，器件制造商注意将集电极最大电流值与闩锁电流保持的比例，通常比例为1：5。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

工作特性    <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

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。在截止下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。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，限制了IGBT 的某些应用范围。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断。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，其最佳值取为15V左右。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压的关系。IGBT 处于导通态时，它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，其B 值极低。尽管等效电路为达林顿《www.dziuu.com》结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。，通态电压Uds(on) 下式表示   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

通态电流Ids 下式表示：   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

Ids=(1+Bpnp)Imos   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

式中Imos ——流过MOSFET 的电流。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

N+ 区存在电导调制效应，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。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

动态特性    <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

IGBT 在开通过程中，大部分时间是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，又了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。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。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的。IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。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。应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间    <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

t(off)=td(off)+trv十t(f)   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的而。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的而降低。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》

正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得应用，日本东芝也已涉足该领域。与此，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1um以下制作工艺，研制开发取得新进展。   <<提示：容源电子网为广大电子爱好者提供电路图专题网站“容源电路图网”，欢迎访问。汇聚大量电路图与你共同分享。》