IGBT的工作原理和工作特性
發(fā)布時(shí)間：2019-07-03 14:36:04來源：
IGBT的工作原理和工作特性
IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT的驅(qū)動方法和 MOSFET 基本相同，只需控制輸入極 N 一溝道 MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。
當(dāng) MOSFET 的溝道形成后，從 P 基極注入到 N 一層的空穴（少子），對 N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓 時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。
IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類：
1 ．靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和 開關(guān)特性。
IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與 柵極電壓之間的關(guān)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(qū) 1 、放大區(qū) 2 和擊穿特性 3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的 IGBT ，正向電 壓由 J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由 J1 結(jié)承擔(dān)。如果無 N 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入 N 緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只 能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些應(yīng)用范圍。
IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的 關(guān)系曲線。它與 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電 壓 Ugs(th) 時(shí)， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在 IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電 流范圍內(nèi)，Id 與 Ugs 呈線性關(guān)系。*高柵源電壓受*大漏極電流限 制，其*佳值一般取為 15V 左右。
IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。 IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B值 極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過 MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓 Uds(on)可用下式表示
Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh （ 2 － 14 ）
式中 Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為 0.7 ～ IV ；
Udr ——擴(kuò)展電阻 Rdr 上的壓降；
Roh ——溝道電阻。
通態(tài)電流 Ids 可用下式表示：
Ids=(1 Bpnp)Imos (2 － 15 ）
式中 Imos ——流過 MOSFET 的電流。
由于 N 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以 IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓 1000V 的 IGBT 通態(tài)壓降為 2 ～ 3V 。
IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。
2 ．動態(tài)特性 IGBT 在開通過程中，大部分時(shí)間是作為 MOSFET 來運(yùn)行的，只是在漏源電壓 Uds 下降過程后期， PNP晶體 管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。 td(on) 為開通延遲時(shí)間， tri為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間 ton 即為 td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由 tfe1 和tfe2 組成，如圖 2 － 58 所示
IGBT 在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗(yàn)?MOSFET 關(guān)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(shí)間， td(off) 為關(guān)斷延遲時(shí)間， trv 為電壓 Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間 Tf 由圖 2 － 59 中的 t(f1) 和 t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間
t(off)=td(off) trv 十 t(f) （ 2 － 16 ）
當(dāng) MOSFET 的溝道形成后，從 P 基極注入到 N 一層的空穴（少子），對 N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓 時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。
IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類：
1 ．靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和 開關(guān)特性。
IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與 柵極電壓之間的關(guān)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(qū) 1 、放大區(qū) 2 和擊穿特性 3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的 IGBT ，正向電 壓由 J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由 J1 結(jié)承擔(dān)。如果無 N 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入 N 緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只 能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些應(yīng)用范圍。
IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的 關(guān)系曲線。它與 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電 壓 Ugs(th) 時(shí)， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在 IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電 流范圍內(nèi)，Id 與 Ugs 呈線性關(guān)系。*高柵源電壓受*大漏極電流限 制，其*佳值一般取為 15V 左右。
IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。 IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B值 極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過 MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓 Uds(on)可用下式表示
Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh （ 2 － 14 ）
式中 Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為 0.7 ～ IV ；
Udr ——擴(kuò)展電阻 Rdr 上的壓降；
Roh ——溝道電阻。
通態(tài)電流 Ids 可用下式表示：
Ids=(1 Bpnp)Imos (2 － 15 ）
式中 Imos ——流過 MOSFET 的電流。
由于 N 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以 IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓 1000V 的 IGBT 通態(tài)壓降為 2 ～ 3V 。
IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。
2 ．動態(tài)特性 IGBT 在開通過程中，大部分時(shí)間是作為 MOSFET 來運(yùn)行的，只是在漏源電壓 Uds 下降過程后期， PNP晶體 管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。 td(on) 為開通延遲時(shí)間， tri為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間 ton 即為 td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由 tfe1 和tfe2 組成，如圖 2 － 58 所示
IGBT 在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗(yàn)?MOSFET 關(guān)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(shí)間， td(off) 為關(guān)斷延遲時(shí)間， trv 為電壓 Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間 Tf 由圖 2 － 59 中的 t(f1) 和 t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間
t(off)=td(off) trv 十 t(f) （ 2 － 16 ）