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根本相同,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—层的空穴〔少子〕,对N—层进行电导调制,减小N—层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。
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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局部。
在截止状态下的IGBT,正向电压由J2结承当,反向电压由J1结承当。
如果无N+缓冲区,那么正反向阻断电压可以做到同样水平,参加N+缓冲区后,反向关断电压只能到达几十伏水平,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导通后的大局部漏极电流范围内,Id与Ugs呈线性关系。
最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最正确值一般取为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总电流的主要局部。
此时,通态电压Uds(on)可用下式表示
Uds(on)
Uj1+Udr+IdRoh(2-14)
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,大局部时间是作为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
IS2-58开通时IGBT的电SU电压放形
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
2-59关断时IGBT的电滝、电压波无
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
—62a和b所示。
由图中还可看出,右十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
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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,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。
而门极电阻减少,那么又使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。
斛卜碍勺筆电极幄涌电醜和关鼬雕诽的关系
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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平安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正确化。
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:
I〕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,对其平安不利,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的擎住效应与平安工作区
擎住效应
在分析擎住效应之前,我们先回忆一下IGBT的工作原理〔这里假定不发生擎住效应〕。
1•当UceV0时,J3反偏,类似反偏二极管,IGBT反向阻断;
2.当Uce>0时,在UcvUth的情况下,沟道未形成,IGBT正向阻
断;在U0>Uth情况下,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—区注入空穴,从而在N—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=0VUth,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—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。
BI2-6C艮有寄士仙佯骨的1GBT等效电路
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,假假设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的方法延长IGBT关断时间,以减少dUds/dt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。
平安工作区
平安工作区〔SOA〕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是根据防止动态擎住而设定的,最大漏源电压Udsm是由IGBT中晶体管V3的击穿电压所确定,最大功耗那么是
由最高允许结温所决定。
导通时间越长,发热越严重,平安工作区那么越窄,如图
2—61。
所示。
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图Z611GRT的平安工作区
JIGBT的正向■霍b)1GBT的反向僞置
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而改变,dUds/dt越高,RBSOA越窄。
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