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IGBT的工作原理与结构参数及短路特性

电子工程师 来源:面包板社区 作者:半导体达人 2021-04-13 18:24 次阅读

1、器件结构参数

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2、短路特性:

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工作原理

IGBT是双极型三极管和MOS管结合在一起的产物,双极型三极管具有低频(10KHz以下)大电流能力,MOSFET具有高频(100KHz以上)小电流特点。IGBT兼有两种器件的优点,电压控制驱动,通流能力强,频率最高可使用到100KHz,是中频段理想的功率器件。

开通过程简述:

阶段1(0—t1):在此阶段,栅极电流开始对栅电容CGE充电,但是VGE

阶段2(tl—t2):在t1时刻,VGE》Vth,沟道开启,电子开始通过沟道注入到基区,同时背面的集电极开始向基区内注入空穴,集电极开始产生电流IC,此时IC

阶段3(t2—t3):在t2时刻,IC=IL,流过续流二极管的电流降低至0,二极管内部载流子开始复合。

阶段4(t3—t4):续流二极管内部载流子已经完成复合,续流二极管两端电压开始上升,这导致IGBT两端的电压下降和栅极集电极电容CGC放电。此时IGBT电流Ic形成过冲,过冲的大小与CGC大小有密切关系,CGC越大,IC过冲越大。

阶段5(t4—t5):在t4时刻,VGE将调整以适应IC的过冲,在t5时刻,二极管反向恢复完成,VGE将会略微下降,使IGBT可以承受负载电流IL。在此阶段,栅极发射极电压VGE保持恒定,栅极电流流入至栅极集电极电容CGC,集电极发射极两端电压随着CGC放电而下降。

阶段6(t6—t7):在t6时刻,VCE下降到使IGBT进入饱和状态,栅极反射极电压增加以维持IL,当VCE衰减稳定后,稳定值即为饱和导通压降VCE(sat),到此开通过程完全结束。

关断过程简述:

阶段1(0—t1),在t=0时刻,开关S动作,lGBT开始关断,栅极通过RG开始放电,VGE下降。这导致通过沟道注入到基区的电子数量变少,但是由于感性负载的存在,通过抽取N基区中多余的电子和空穴来抑制IC的减小。

阶段2(tl—t3)在t1时刻,基区内剩余电荷降为0,耗尽区开始形成。在VCE较小时,栅压维持在VGP(VGP的大小与栅极电阻RG成正比),当VCE超过一定限度时,栅压开始下降。

阶段3(t3—t6)在t3时刻,VCE达到电路外加电压VDC,耗尽区不再展宽,此时集电极电路IC迅速下降,由于IC的下降在负载电感上感生一个负电压,此时VCE过冲到最大值,感生电压使续流回路导通,负载电流转移到续流回路。IGBT关断完成。

在IGBT开关过程中通常用开通延迟td(on)、关断延迟td(off)、上升时间tr和下降时间tf来进行描述。图6是IGBT整个开关过程的波形。

在实际IGBT应用中,开通阶段损耗较小,而且难以优化,td(on)与tr在设计上一般不作为首要考虑因素。而td(ff)大小除受器件影响外,主要与外电路中的栅极电阻RG关系密切。因此在IGBT设计中tf就成为首要的设计对象,这因为第一,tf的大小直接关系到器件的关断损耗,而器件的关断损耗在器件的开关损耗中占主要地位:第二,tf受器件的结构以及工艺条件影响巨大。正因为如此,通常用tf的高低来衡量IGBT器件动态性能的优劣。
编辑:lyn

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