IGBT的工作原理和工作特性.doc

IGBT的工作原理和工作特性 IGBT的開關(guān)作用是通過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，流過反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動方法和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)Uj1UdrIdRoh （214） 式中Uj1JI結(jié)的正向電壓，其值為0.7IV； 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 (215） 式中Imos流過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23V。IGBT處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。2動態(tài)特性IGBT在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds下降過程后期，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258所示 IGBT 在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)?MOSFET 關(guān)斷后， PNP 晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時(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 259 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 + t(f) （ 216 ） 式中， td(off) 與 trv 之和又稱為存儲時(shí)間。 IGBT的基本結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）本質(zhì)上是一個(gè)場效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè) P 型層。根據(jù)國際電工委員會的文件建議，其各部分名稱基本沿用場效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。 圖1所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。 N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P型區(qū)（包括P+和P一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region ）。而在漏區(qū)另一側(cè)的 P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector ），它是 IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。 為了兼顧長期以來人們的習(xí)慣，IEC規(guī)定：源極引出的電極端子（含電極端）稱為發(fā)射極端（子），漏極引出的電極端（子）稱為集電極端（子）。這又回到雙極晶體管的術(shù)語了。但僅此而已。 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。它在結(jié)構(gòu)上類似于MOSFET ，其不同點(diǎn)在于IGBT是在N溝道功率MOSFET 的N+基板（漏極）上增加了一個(gè)P+ 基板（IGBT 的集電極），形成PN結(jié)j1 ，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與MOSFET相似。圖1 N溝道IGBT結(jié)構(gòu)圖2 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖由圖2可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)GTR ，其簡化等效電路如圖3所示。圖中Rdr是厚基區(qū)GTR的擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR 為主導(dǎo)件、MOSFET 為驅(qū)動件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 N溝道IGBT的圖形符號有兩種，如圖4所示。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常使用圖25所示的符號。對于P溝道，圖形符號中的箭頭方向恰好相反，如圖4所示。 IGBT 的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)柵極加正電壓時(shí)，MOSFET 內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通，此時(shí)，從P+區(qū)注到N一區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N一區(qū)的電阻 Rdr值，使高耐壓的 IGBT 也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負(fù)電壓時(shí)，MOSFET 內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT 即關(guān)斷。 正是由于 IGBT 是在N 溝道 MOSFET 的 N+ 基板上加一層 P+ 基板，形成了四層結(jié)構(gòu)，由PNPNPN晶體管構(gòu)成 IGBT 。但是，NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使NPN不起作用。所以說， IGBT 的基本工作與NPN晶體管無關(guān)，可以認(rèn)為是將 N 溝道 MOSFET 作為輸入極，PNP晶體管作為輸出極的單向達(dá)林頓管。 采取這樣的結(jié)構(gòu)可在 N一層作電導(dǎo)率調(diào)制，提高電流密度。這是因 為從 P+ 基板經(jīng)過 N+ 層向高電阻的 N一層注入少量載流子的結(jié)果。 IGBT 的設(shè)計(jì)是通過 PNPNPN 晶體管的連接形成晶閘管。2.IGBT模塊的術(shù)語及其特性術(shù)語說明術(shù)語符號定義及說明（測定條件參改說明書）集電極、發(fā)射極間電壓 VCES 柵極、發(fā)射極間短路時(shí)的集電極，發(fā)射極間的最大電壓 柵極發(fā)極間電壓 VGES 集電極、發(fā)射極間短路時(shí)的柵極，發(fā)射極間最大電壓 集電極電流 IC 集電極所允許的最大直流電流 耗散功率PC 單個(gè)IGBT所允許的最大耗散功率 結(jié)溫 Tj 元件連續(xù)工作時(shí)芯片溫廈 關(guān)斷電流 ICES 柵極、發(fā)射極間短路，在集電極、發(fā)射極間加上指定的電壓時(shí)的集電極電流。漏電流 IGES 集電極、發(fā)射極間短路，在柵極、集電極間加上指定的電壓時(shí)的柵極漏電流 飽和壓降V CE(sat) 在指定的集電極電流和柵極電壓的情況下，集電極、發(fā)射極間的電壓。輸入電容 Clss 集電極、發(fā)射極間處于交流短路狀態(tài)，在柵極、發(fā)射極間及集電極、發(fā)射極間加上指定電壓時(shí)，柵極、發(fā)射極間的電容 3.IGBT模塊使用上的注意事項(xiàng)1. IGBT模塊的選定 在使用IGBT模塊的場合，選擇何種電壓，電流規(guī)格的IGBT模塊，需要做周密的考慮。a. 電流規(guī)格IGBT模塊的集電極電流增大時(shí)，VCE(-)上升，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí)，開關(guān)損耗增大，原件發(fā)熱加劇。因此，根據(jù)額定損耗，開關(guān)損耗所產(chǎn)生的熱量，控制器件結(jié)溫（Tj）在 150oC以下（通常為安全起見，以125oC以下為宜），請使用這時(shí)的集電流以下為宜。特別是用作高頻開關(guān)時(shí)，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱也加劇，需十分注意。一般來說，要將集電極電流的最大值控制在直流額定電流以下使用，從經(jīng)濟(jì)角度這是值得推薦的。b.電壓規(guī)格 IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即市電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系列于表1。根據(jù)使用目的，并參考本表，請選擇相應(yīng)的元件。 元器件電壓規(guī)格600V1200V1400V電源電壓200V；220V；230V；240V346V；350V；380V；400V；415V；440V575V2. 防止靜電IGBT的VGE的耐壓值為20V，在IGBT模塊上加出了超出耐壓值的電壓的場合，由于會導(dǎo)致?lián)p壞的危險(xiǎn)，因而在柵極-發(fā)射極之間不能超出耐壓值的電壓，這點(diǎn)請注意。在使用裝置的場合，如果柵極回路不合適或者柵極回路完全不能工作時(shí)（珊極處于開路狀態(tài)），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止這類損壞情況發(fā)生，應(yīng)在柵極一發(fā)射極之間接一只10k左左的電阻為宜。此外，由于IGBT模塊為MOS結(jié)構(gòu)，對于靜電就要十分注意。因此，請注意下面幾點(diǎn)：1)在使用模塊時(shí)，手持分裝件時(shí)，請勿觸摸驅(qū)動端子部份。2)在用導(dǎo)電材料連接驅(qū)動端子的模塊時(shí)，在配線未布好之前，請先不要接上模塊。3)盡量在底板良好接地的情況下操作。4)當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電放電后，再觸摸。 5)在焊接作業(yè)時(shí)，焊機(jī)與焊槽之間的漏泄容易引起靜電壓的產(chǎn)生，為了防止靜電的產(chǎn)生，請先將焊機(jī)處于良好的接地狀態(tài)下。6)裝部件的容器，請選用不帶靜電的容器。3.并聯(lián)問題用于大容量逆變器等控制大電流場合使用IGBT模塊時(shí)，可以使用多個(gè)器件并聯(lián)。并聯(lián)時(shí)，要使每個(gè)器件流過均等的電流是非常重要的，如果一旦電流平衡達(dá)到破壞，那么電過于集中的那個(gè)器件將可能被損壞。 為使并聯(lián)時(shí)電流能平衡，適當(dāng)改變器件的特性及接線方法。例如。挑選器件的VCE(sat)相同的并聯(lián)是很重要的。4.其他注意事項(xiàng)1)保存半導(dǎo)體原件的場所的溫度，溫度，應(yīng)保持在常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為535，常濕的規(guī)定為4575左右。2)開、關(guān)時(shí)的浪涌電壓等的測定，請?jiān)诙俗犹帨y定。IGBT是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。MOSFET由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，與同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化 IGBT驅(qū)動器的原理圖。1.IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)（包括P+ 和P 一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（ Subchannel region ）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。IGBT 的開關(guān)作用是通過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，流過反向基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動方法和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。2.IGBT 的工作特性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式中Uj1 JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 1V ；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式中Imos 流過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.動態(tài)特性IGBT 在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， 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。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約34V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。正式商用的高壓大電流IGBT器件至今尚未出現(xiàn)，其電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求，特別是在高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級達(dá)到10KV以上。目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1m以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進(jìn)展。(1)導(dǎo)通IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個(gè)N+ 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個(gè)部分），其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動兩個(gè)雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+和N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流(MOSFET 電流)；空穴電流（雙極）。uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。(2)導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。(3)關(guān)斷當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時(shí)，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計(jì)上的電流的不理想效應(yīng)是可行的，尾流特性與VCE、IC和 TC有關(guān)。柵射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。(4)反向阻斷。當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)，J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個(gè)層面的厚度，將無法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機(jī)制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個(gè)區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。(5)正向阻斷。當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)，P/NJ3結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。(6)閂鎖。IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。只在關(guān)斷時(shí)才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū)。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別。二是降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。當(dāng)前普遍采用的IGBT短路或過流保護(hù)方式是通過檢測Vce的電壓值來實(shí)現(xiàn)的5，當(dāng)IGBT出現(xiàn)短路或過流時(shí)，其工作區(qū)將退出飽和區(qū)而使Vce電壓升高，具體的保護(hù)電路原理如圖6所示。通過二極管D與IGBT的集電極相連來實(shí)現(xiàn)IGBT的欠飽和檢測，Vce電壓升高將相應(yīng)地使串聯(lián)二極管的陽極電位升高，當(dāng)超過設(shè)定的短路門限時(shí)保護(hù)電路動作，關(guān)斷IGBT。由于IGBT在開通初期的集電極電壓比較高，如果此時(shí)保護(hù)電路工作可能造成誤動作，必須設(shè)置一個(gè)盲區(qū)時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)短路保護(hù)電路是不工作的。此功能是通過開關(guān)S和外接并聯(lián)電阻Rce和電容Cce來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，S開通，電容Cce被充電到15V，當(dāng)IGBT開通時(shí)，S關(guān)斷，Cce電容經(jīng)Rce放電，放電終止電壓為:這樣就可以使得在IGBT開通初期，參考電壓高于檢測電壓，防止保護(hù)電路誤動作，正常工作時(shí)的波形如圖7(a)所示。發(fā)生短路或過流故障時(shí)的波形如圖7(b)所示。圖6短路保護(hù)電路原理圖(a) (b)圖7 保護(hù)電路波形驅(qū)動信號的隔離傳輸方式考慮高壓大功率IGBT驅(qū)動器工作在高電壓環(huán)境，為了保證控制器不受高壓側(cè)的影響，驅(qū)動脈沖信號必須經(jīng)過隔離后再傳送到IGBT的柵極。通常的隔離方式有光隔離和磁隔離，光隔離又包括光耦隔離和光纖隔離，光耦隔離方式由于隔離電壓相對較低，存在傳輸延遲、老化和可靠性等方面的問題，在直流母線電壓超過800V的高壓應(yīng)用場合很少采用。而采用脈沖變壓器隔離方式(磁隔離)可以實(shí)現(xiàn)相對較高的隔離電壓，而且變壓器的可靠性高，傳輸延遲小，可以實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，不存在老化的問題，因此在高壓IGBT驅(qū)動器中多數(shù)采用脈沖變壓器作為隔離元件來完成驅(qū)動信號的隔離傳輸。傳統(tǒng)的驅(qū)動用脈沖變壓器是將放大后的脈沖信號隔離后直接驅(qū)動IGBT或功率MOS管，其基本的電路原理如圖2所示。初級串聯(lián)電容的作用是去除驅(qū)動脈沖的直流分量。次級并聯(lián)的穩(wěn)壓管用于防止輸出電壓過高而損壞功率開關(guān)管。這種工作方式無需單獨(dú)的驅(qū)動電源，電路設(shè)計(jì)簡單，成本也比較低。但是當(dāng)驅(qū)動脈沖的占空比變化范圍比較大，