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1、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图N-KiHl的图密符号图上55阳5的阳化等效电融Ifl 2 N内血噌11型地，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
2、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U
3、gs(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Uj1JI结的正向电压，具值为 0.7IV ;Udr扩展电阻 Rdr上的压降；Roh 沟道电阻。通态电流I
4、ds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23V。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IS
5、 2-58开通时IGBT的电流，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(2 16 )式中，td(off)与trv之和又称为存储时间2-59 关断时IGBT的电流、电压波形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
6、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262 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（ 2-6?正偏置电压.小，芍和氐的关系）匕&皿再仃小的美果b） Uge，彳照例的美系再窗解*也I SUge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 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
7、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 。留243 -仃门与集电极海浦电潦和美晰能性马仆的关第力一Uw号集电梃演懦电就美挈h）一订9可关新能帽号仃的美犀由上述不难得知：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
8、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 . 55V 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
9、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 1215V 。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 06 ）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
10、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，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 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
11、 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 o所小。-iOOfjV/p*blffi2-6l 1GBT的安全工作区DIGBT的正向MIGHT的反向偏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。