涨知识 | 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：

 

——IGBT 栅极与发射极之间的电压;

——IGBT 集电极与发射极之间的电压;

——流过IGBT 集电极－发射极的电流;

——IGBT 的结温。

 

如果IGBT 栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT 不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT 可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT 集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT 集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流,IGBT 的结温超过

其结温的允许值,IGBT 都可能会永久性损坏。

 

 

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。

 

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。