PDF《IGBT 的工作原理和工作特性》

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igbt.cn 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 (

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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DD英飞凌中国一级代理 www.igbt.cn 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

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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

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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) (

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16 ) 式中, td(off) 与trv 之和又称为存储时间. 北京晶川电子DD英飞凌中国一级代理 www.igbt.cn