IGBT的工作基本知识和工作特性.docx
- 文档编号:28153767
- 上传时间:2023-07-08
- 格式:DOCX
- 页数:9
- 大小:240.79KB
IGBT的工作基本知识和工作特性.docx
《IGBT的工作基本知识和工作特性.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《IGBT的工作基本知识和工作特性.docx(9页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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。
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流明显下降,对关断能耗无显著影响,-Uge与集电极浪涌电流和关断能耗Eoff 的关系分别如图 2-63 a 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,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。
具体关系如图2-64。
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安全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佳化。
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:
l) 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,对其安全不利,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的安全。
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。 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。 所示。 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 d Uds/d t 而改变,d Uds/dt越高,RBSOA越窄。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- IGBT 工作 基本知识 特性