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IGBT的工作原理

来源:未知 编辑:晚一步 时间:2018-06-12

    N沟型的IGBT工作是通过栅极一发射极间加阀值电压VTH以上的(正)电压,在栅极电极正下方的P层上形成反型层(沟道),开始从发射极电极下的N-层注入电子。该电子为P+N-P晶体管的少数载流子,从集电极衬底P+层开始流入空穴,进行电导率调制(双极工作),所以可以降低集电极一发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图1-16 (b)所示,IGBT的符号如图1-16 (c)所示。在发射极电极侧形成N+ PN -寄生晶体管。若N+ PN -寄生晶体管工作,又变成P+N - PN+晶闸管。电流继续流动,直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。

 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

    图1-16    IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

    (a)内部结构端面示意图;(b)简化等效电路;(c)电气图形符号

    为了抑制N+ PN -寄生晶体管的工作,IGBT采用尽量缩小P+N-P晶体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体地来说,P+N-P的电流放大系数α设计为0.5以下。IGBT的闭锁电流,L为额定电流(直流)的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,通断由栅射极电压uGE决定。

   (1)导通。IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似,主要差异是IGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层(非穿通IGBT技术没有增加这个部分),其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+N+区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道形成,同时出现一个电子流,并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电子流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内,那么,J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整阴阳极之间的电阻率,这种方式降低了功率导通的总损耗,并起动了第二个电荷流。最后的结果是,在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑:一个电子流(MOSFET电流),另一种为空穴电流(双极)。uGE大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通。

   (2)导通压降。电导调制效应使电阻Rff减小,使通态压降小。

   (3)关断。当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时,沟道被禁止,没有空穴注入N-区内。在任何情况下,如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是因为换向开始后,在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低,完全取决于关断时电荷的密度,而密度又与几种因素有关,如掺杂质的数量和拓扑、层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形,集电极电流引起以下问题:功耗升高;交叉导通问题,特别是在使用续流二极管的设备上,问题更加明显。

    鉴于尾流与少子的重组有关,尾流的电流值应与芯片的温度、ICUCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此,根据所达到的温度,降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的,尾流特性与UCEICTC有关。

    栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。

   (4)反向阻断。当集电极被施加一个反向电压时,J1就会受到反向偏压控制,耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度,将无法取得一个有效的阻断能力,所以,这个机制十分重要。另一方面,如果过大地增加这个区域尺寸,就会连续地提高压降。

   (5)正向阻断。当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时,P/NJ3结受反向电压控制。此时,仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

   (6)闩锁。IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下,这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加,对等效MOSFET的控制能力降低,通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁,具体地说,这种缺陷的原因互不相同,与器件的状态有密切关系。通常情况下,静态和动态闩锁有如下主要区别:

   1)当晶闸管全部导通时,静态闩锁出现。

   2)只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。

    为防止寄生NPNPNP晶体管的有害现象,有必要采取以下措施:一是防止NPN部分接通,分别改变布局和掺杂级别;二是降低NPNPNP晶体管的总电流增益。

    此外,闩锁电流对PNPNPN器件的电流增益有一定的影响,因此,它与结温的关系也非常密切。在结温和增益提高的情况下,P基区的电阻率会升高,破坏了整体特性。因此,器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例,通常比例为15


 
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