IGBT的工作原理和工作特性

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+t(f)（2－16）式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。IGBT的基本结构绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区（包括P+和P一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannelregion）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Draininjector），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。图1N沟道IGBT结构图2IGBT的结构剖面图由图2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3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4所示。实际应用时，常使用图2－5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4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MOSFET的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一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。2.IGBT模块的术语及其特性术语说明术语符号定义及说明（测定条件参改说明书）集电极、发射极间电压VCES栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最大电压栅极发极间电压VGES集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大电压集电极电流IC集电极所允许的最大直流电流耗散功率PC单个IGBT所允许的最大耗散功率结温Tj元件连续工作时芯片温厦关断电流ICES栅极、发射极间短路，在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。漏电流IGES集电极、发射极间短路，在栅极、集电极间加上指定的电压时的栅极漏电流饱和压降VCE(sat)在指定的集电极电流和栅极电压的情况下，集电极、发射极间的电压。输入电容Clss集电极、发射极间处于交流短路状态，在栅极、发射极间及集电极、发射极间加上指定电压时，栅极、发射极间的电容3.IGBT模块使用上的注意事项1.IGBT模块的选定在使用IGBT模块的场合，选择何种电压，电流规格的IGBT模块，需要做周密的考虑。a.电流规格IGBT模块的集电极电流增大时，VCE(-)上升，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，原件发热加剧。因此，根据额定损耗，开关损耗所产生的热量，控制器件结温（Tj）在150oC以下（通常为安全起见，以125oC以下为宜），请使用这时的集电流以下为宜。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热也加剧，需十分注意。一般来说，要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用，从经济角度这是值得推荐的。b.电压规格IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即市电电源电压紧密相关。其相互关系列于表1。根据使用目的，并参考本表，请选择相应的元件。元器件电压规格600V1200V1400V电源200V；220V；230V；240V346V；350V；380V；400V；415V；440V575V电压2.防止静电IGBT的VGE的耐压值为±20V，在IGBT模块上加出了超出耐压值的电压的场合，由于会导致损坏的危险，因而在栅极-发射极之间不能超出耐压值的电压，这点请注意。在使用装置的场合，如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时（珊极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止这类损坏情况发生，应在栅极一发射极之间接一只10kΩ左左的电阻为宜。此外，由于IGBT模块为MOS结构，对于静电就要十分注意。因此，请注意下面几点：1)在使用模块时，手持分装件时，请勿触摸驱动端子部份。2)在用导电材料连接驱动端子的模块时，在配线未布好之前，请先不要接上模块。3)尽量在底板良好接地的情况下操作。4)当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电放电后，再触摸。5)在焊接作业时，焊机与焊槽之间的漏泄容易引起静电压的产生，为了防止静电的产生，请先将焊机处于良好的接地状态下。6)装部件的容器，请选用不带静电的容器。3.并联问题用于大容量逆变器等控制大电流场合使用IGBT模块时，可以使用多个器件并联。并联时，要使每个器件流过均等的电流是非常重要的，如果一旦电流平衡达到破坏，那么电过于集中的那个器件将可能被损坏。为使并联时电流能平衡，适当改变器件的特性及接线方法。例如。挑选器件的VCE(sat)相同的并联是很重要的。4.其他注意事项1)保存半导体原件的场所的温度，温度，应保持在常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为5－35℃，常湿的规定为45—75％左右。2)开、关时的浪涌电压等的测定，请在端子处测定。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。1.IGBT的结构与工作原理图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区（包括P+和P一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannelregion）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Draininjector），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。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。2.IGBT的工作特性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