IGBT工作原理

方法

IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。實現一個較高的擊穿電壓BVDSS一個源漏通道，而通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特征，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出。較低的壓降，轉換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅動器的原理圖。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

導通    <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

IGBT硅片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT了P+ 基片和一個N+ 緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有部分)。如等效電路圖(圖1)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P+和 N+ 區創建了一個J1結。 當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，出現一個電子流，并功率 MOSFET的方式產生一股電流。電子流產生的電壓在0.7V范圍內，那么，J1將處于正向偏壓，空穴注入N-區內，并陰陽極的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流)； 空穴電流(雙極)。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

關斷    <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在下，MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則降低，這是換向開始后，在N層內還存在少數的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關系。，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

阻斷與閂鎖    <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

當集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，，機制十分重要。另一，過大地區域尺寸，就會連續地提高壓降。 第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效(IC 和速度) PT 器件的壓降高的原因。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

當柵極和發射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/N J3結受反向電壓控制。，仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

IGBT在集電極與發射極有一個寄生PNPN晶閘管，如圖1。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極與發射極的電流量，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不，與器件的有密切關系。通常下，靜態和動態閂鎖有如下主要區別：   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

當晶閘管導通時，靜態閂鎖出現。 只在關斷時才會出現動態閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區 。 為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現象，有必要采取以下措施： 防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別。 降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。 此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有的影響，，它與結溫的關系也非常密切；在結溫和增益提高的下，P基區的電阻率會升高，破壞了整體特性。，器件制造商注意將集電極最大電流值與閂鎖電流保持的比例，通常比例為1：5。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

工作特性    <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似.也可分為飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止下的IGBT ，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。無N+ 緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，限制了IGBT 的某些應用范圍。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 的關系曲線。它與MOSFET 的轉移特性，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處于關斷。在IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內， Id 與Ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值取為15V左右。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓的關系。IGBT 處于導通態時，它的PNP 晶體管為寬基區晶體管，其B 值極低。盡管等效電路為達林頓《www.flswjt.cn》結構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。，通態電壓Uds(on) 下式表示   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

通態電流Ids 下式表示：   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

Ids=(1+Bpnp)Imos   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

N+ 區存在電導調制效應，IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態時，只有很小的泄漏電流存在。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

動態特性    <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

IGBT 在開通過程中，大部分時間是MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區至飽和，又了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間， tri 為電流上升時間。應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，基于以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的。IGBT柵極- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。MOSFET關斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間    <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

t(off)=td(off)+trv十t(f)   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極并聯電阻的而。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的而降低。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》

正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的；高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV，目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得應用，日本東芝也已涉足該領域。與此，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要采用1um以下制作工藝，研制開發取得新進展。   <<提示：容源電子網為廣大電子愛好者提供電路圖專題網站“容源電路圖網”，歡迎訪問。匯聚大量電路圖與你共同分享。》