IGBT的工作原理和工作特性

　　IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)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(guò)反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(kāi)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(wú)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(kāi)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。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

　　IGBT的開(kāi)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(guò)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(guò) 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(dòng)態(tài)特性 IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為 MOSFET 來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓 Uds 下降過(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)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 )

　　式中， td(off) 與 trv 之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。