IGBT工作原理.doc.docVIP

??? 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?? ?? 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??????? ?? 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。??????? 在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。 1 IGBT的工作原理 IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。 由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定