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IGBT中的若干PN结—PNPN结构介绍

冬至子 来源:橘子说IGBT 作者:orange 2023-11-29 12:43 次阅读

在前文的PNP结构中,我们描述了一种现象,如果IGBT中的两个BJT都处于工作状态,那么就会发生失控,产生latch-up现象。

为抑制这个现象,设计中必须将BJT_1的基极和发射极短路。

这里我们讨论一下,如果不将BJT_1的基极和发射极短路,会出现什么情况。

将BJT_1和BJT_2等效为NPN和PNP互联的电路。

图片

BJT_2的基极与BJT_1的集电极相连, BJT_2的集电极与BJT_1的基极相连。

1.在O点施加一个电流IB1, BJT_1导通,产生电流IC1,且图片 其中图片是BJT_1的共发射极增益;

2.因为IC1与BJT_2的基极相连,相当于给BJT_2提供了基极电流IB2,所以BJT_2导通,且图片,产生电流IC2,同理,

图片

其中图片是BJT_2的共发射极增益;

3.因为IC2又与BJT_1的基极相连,所以

图片

可见,经过一个循环, BJT_1的基极电流增大了图片倍。如此反复,通过器件的电流迅速增大,若没有额外的限流措施,那么器件就会损坏。

这种PNPN结构被称为晶闸管,被广泛应用在电力电子控制领域中。从器件的物理特性可以看出,晶闸管一旦开启,就会因为内部BJT自反馈的原因处于持续导通状态,所以若要将处于开通状态的晶闸管关断,就必须施加额外的控制手段,如直接外接电压反向,或者把基极电流抽出,强制BJT关闭,当然这会增加驱动的功耗。

综上,IGBT中的寄生BJT_1的基极和发射极必须短接。

图片

下面做一个简单的推导,在BJT_1的基极和发射极之间串联一个电阻R,会对其增益图片带来多大的影响。假设基极上施加电压图片(正偏),且基极和发射极所组成的PN二极管的饱和电流是图片(饱和电流的定义请回顾PN结二极管的章节)。那么,没有串联电阻R之前,

图片

串联电阻R之后, 图片相较图片多一个流经R的之路电流,即,

图片

显然,图片,那么串联电阻R之后的增益为,

图片

显然,R和图片是两个关键因素:

1.随着R增大, 图片趋近于图片,当Rà0,即短路, 图片趋近于0;当Rà图片,即开路,图片趋近于图片

2.随着图片增大,图片趋近于图片,当图片à0,即短路, 图片趋近于0;当图片>0.7,即开路, 图片趋近于图片

所以,IGBT设计中,一定要将BJT_1的基极和发射极短路。

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