IGBT的工作原理與結(jié)構(gòu)參數(shù)及短路特性

1、器件結(jié)構(gòu)參數(shù)：

2、短路特性：

工作原理：

IGBT是雙極型三極管和MOS管結(jié)合在一起的產(chǎn)物，雙極型三極管具有低頻（10KHz以下）大電流能力，MOSFET具有高頻（100KHz以上）小電流特點(diǎn)。IGBT兼有兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，電壓控制驅(qū)動(dòng)，通流能力強(qiáng)，頻率最高可使用到100KHz，是中頻段理想的功率器件。

開(kāi)通過(guò)程簡(jiǎn)述：

階段1（0—t1）：在此階段，柵極電流開(kāi)始對(duì)柵電容CGE充電，但是VGE

階段2（tl—t2）：在t1時(shí)刻，VGE》Vth，溝道開(kāi)啟，電子開(kāi)始通過(guò)溝道注入到基區(qū)，同時(shí)背面的集電極開(kāi)始向基區(qū)內(nèi)注入空穴，集電極開(kāi)始產(chǎn)生電流IC，此時(shí)IC

階段3（t2—t3）：在t2時(shí)刻，IC=IL，流過(guò)續(xù)流二極管的電流降低至0，二極管內(nèi)部載流子開(kāi)始復(fù)合。

階段4（t3—t4）：續(xù)流二極管內(nèi)部載流子已經(jīng)完成復(fù)合，續(xù)流二極管兩端電壓開(kāi)始上升，這導(dǎo)致IGBT兩端的電壓下降和柵極集電極電容CGC放電。此時(shí)IGBT電流Ic形成過(guò)沖，過(guò)沖的大小與CGC大小有密切關(guān)系，CGC越大，IC過(guò)沖越大。

階段5（t4—t5）：在t4時(shí)刻，VGE將調(diào)整以適應(yīng)IC的過(guò)沖，在t5時(shí)刻，二極管反向恢復(fù)完成，VGE將會(huì)略微下降，使IGBT可以承受負(fù)載電流IL。在此階段，柵極發(fā)射極電壓VGE保持恒定，柵極電流流入至柵極集電極電容CGC，集電極發(fā)射極兩端電壓隨著CGC放電而下降。

階段6（t6—t7）：在t6時(shí)刻，VCE下降到使IGBT進(jìn)入飽和狀態(tài)，柵極反射極電壓增加以維持IL，當(dāng)VCE衰減穩(wěn)定后，穩(wěn)定值即為飽和導(dǎo)通壓降VCE（sat），到此開(kāi)通過(guò)程完全結(jié)束。

關(guān)斷過(guò)程簡(jiǎn)述：

階段1（0—t1），在t=0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)S動(dòng)作，lGBT開(kāi)始關(guān)斷，柵極通過(guò)RG開(kāi)始放電，VGE下降。這導(dǎo)致通過(guò)溝道注入到基區(qū)的電子數(shù)量變少，但是由于感性負(fù)載的存在，通過(guò)抽取N基區(qū)中多余的電子和空穴來(lái)抑制IC的減小。

階段2（tl—t3）在t1時(shí)刻，基區(qū)內(nèi)剩余電荷降為0，耗盡區(qū)開(kāi)始形成。在VCE較小時(shí)，柵壓維持在VGP（VGP的大小與柵極電阻RG成正比），當(dāng)VCE超過(guò)一定限度時(shí)，柵壓開(kāi)始下降。

階段3（t3—t6）在t3時(shí)刻，VCE達(dá)到電路外加電壓VDC，耗盡區(qū)不再展寬，此時(shí)集電極電路IC迅速下降，由于IC的下降在負(fù)載電感上感生一個(gè)負(fù)電壓，此時(shí)VCE過(guò)沖到最大值，感生電壓使續(xù)流回路導(dǎo)通，負(fù)載電流轉(zhuǎn)移到續(xù)流回路。IGBT關(guān)斷完成。

在IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中通常用開(kāi)通延遲td（on）、關(guān)斷延遲td（off）、上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf來(lái)進(jìn)行描述。圖6是IGBT整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程的波形。

在實(shí)際IGBT應(yīng)用中，開(kāi)通階段損耗較小，而且難以優(yōu)化，td（on）與tr在設(shè)計(jì)上一般不作為首要考慮因素。而td（ff）大小除受器件影響外，主要與外電路中的柵極電阻RG關(guān)系密切。因此在IGBT設(shè)計(jì)中tf就成為首要的設(shè)計(jì)對(duì)象，這因?yàn)榈谝唬瑃f的大小直接關(guān)系到器件的關(guān)斷損耗，而器件的關(guān)斷損耗在器件的開(kāi)關(guān)損耗中占主要地位：第二，tf受器件的結(jié)構(gòu)以及工藝條件影響巨大。正因?yàn)槿绱?，通常用tf的高低來(lái)衡量IGBT器件動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣。
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