IGBT 的基本结构Word格式.docx
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IGBT 的基本结构Word格式.docx
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Drain
injector),它是
IGBT特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成
PNP双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。
附于漏注入区上的电极称为漏极。
为了兼顾长期以来人们的习惯,IEC规定:
源极引出的电极端子(含电极端)称为发射极端(子),漏极引出的电极端(子)称为集电极端(子)。
这又回到双极晶体管的术语了。
但仅此而已。
IGBT的结构剖面图如图2-53所示。
它在结构上类似于MOSFET,其不同点在于
IGBT是在
N沟道功率
MOSFET的
N+基板(漏极)上增加了一个P+基板(
IGBT的集电极),形成PN结j1,并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。
由图
2-
5
4可以看出,
IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR,其简化等效电路如图2-55所示。
图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。
IGBT是以GTR为主导件、
MOSFET为驱动件的复合结构。
N沟道IGBT的图形符号有两种,如图2-56。
所示。
实际应用时,常使用图
6b所示的符号。
对于P沟道,图形符号中的箭头方向恰好相反,如图
2-57所示。
IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。
当栅极加正电压时,MOSFET内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通,此时,从
P+区注到
N一区进行电导调制,减少
N
一
区的电阻Rdr值,使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。
在栅极上加负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT即关断。
正是由于
IGBT是在
N沟道
N+基板上加一层
P+基板,形成了四层结构,由PNP-NPN晶体管构成IGBT。
但是,NPN晶体管和发射极由于铝电极短路,设计时尽可能使NPN不起作用。
所
以说,IGBT的基本工作与NPN晶体管无关,可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极,PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。
采取这样的结构可在N一层作电导率调制,提高电流密度。
这是因
为从P+基板经过N+层向高电阻的
N--层注入少量载流子的结果。
IGBT的设计是通过PNP-NPN晶体管的连接形成晶闸管
IG
BT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。
BT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。
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。
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
Uds/d
t
而改变,d
Uds/dt越高,RBSOA越窄。
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
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