《电力电子器件基础》功率场效应管.ppt

1.结构和工作原理 (1). 绝缘栅双极型晶体管的结构 IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶 闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。 IGBT的结构、符号及等效电路 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E (2). 绝缘栅双极型晶体管的工作原理 当UDS＜0时，J3PN结处于反偏状态，IGBT呈反向阻断状态。 当UDS＞0时，分两种情况： ① 若门极电压UG＜开启电压UT，IGBT呈正向阻断状态。 ② 若门极电压UG＞开启电压UT，IGBT正向导通。 2. IGBT的主要特性 (1) IGBT的伏安特性 伏安特性表示器件的端电压和电流的关系。对IGBT来说，就是以栅射电压UGE为参变量时，集电极电流IC和集射电压UCE之间的关系曲线。IGBT的伏安特性与GTR基本相似，不同之处是以栅射电压UGE为参变量，而不是基极电流。 UCE0是反向阻断状态。 UCE0时，也可分为饱和区、放大区和正向阻断区， UCE再增加可以进入击穿区。开关器件IGBT常工作于饱和状态和阻断状态，若IGBT工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。 IGBT的伏安特性和转移特性 (2) IGBT的转移特性 是指输出集电极电流IC与栅射控制电压UGE之间的关系曲线。当栅射电压UGE＜UGEth时，IGBT处于关断状态 当UGE＞UGEth时，IGBT导通。 IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。 (3) 开关特性 第1章第*页 ? IGBT的开通过程?????? 与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通延迟时间td(on) ——从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM????? 电流上升时间tr ——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间 ?开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和 uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 第1章第*页 IGBT的关断过程 关断延迟时间td(off) ——从uGE后沿下降到其幅 值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM ?电流下降时间——iC从90%ICM下降至10%ICM 关断时间toff——关断延迟时间与电流下降之和 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢 ??? (4) 擎住效应 IGBT为四层结构，存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电阻， P型体区的横向空穴流过此电阻会产生一定压降，对J3结相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不会使NPN晶体管导通； 当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。 (5) 安全工作区 IGBT开通时的正向偏置安全工作区由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大集电极电流ICM是根据避免动态擎住而确定的，最大集射极电压UCEM是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压所确定；最大功耗则由最高允许结温所决定。 IGBT关断时的反向偏置安全工作区与IGBT关断时的du/dt有关，du/dt越高，RBSOA越窄。 IGBT的安全工作区 3. IGTB的主要参数 (1) 集射极额定电压UCES 栅射极短路时的IGBT最大耐压值。 (2) 栅射极额定电压UGES UGES是栅极的电压控制信号额定值。只有栅射极电压小于额定电压值，才能使IGBT导通而不致损坏。 (3) 栅射极开启电压UGEth 使IGBT导通所需的最小栅-射极电压,通常IGBT的开启电压UGEth在3V～5.5V之间。 (4) 集电极额定电流IC 在额定的测试温度(壳温为25℃)条件下，IGBT所允许的集电极最大直流电流。 (5) 集射极饱和电压UCEO IGBT在饱和导通时，通过额定电流的集射极电压。通常IGBT的集射极饱和电压在1.5V～3V之间。 4 IGBT栅极驱动电路应满足的条件 ① 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。 ② 在IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要具有足够的幅度。 ③ 栅极驱动电路的输出阻抗应尽可