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變頻電源之IGBT的工作原理

N溝型的IGBT工作是通過柵極一發(fā)射極間加閥值電壓V以上的(正)電壓，在柵極電極正下方的P層上形成反型層(溝道)，開始從發(fā)射極電極下的N-層注人電子。該電子為P+N-P品體管的少數(shù)載流子，從集電極襯底P+層開始流入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制(雙極工作)，所以可以降低集電極一發(fā)射極問飽和電壓。工作時(shí)的等效電路如圖1-16(b)所示，IGBT的符號(hào)如圖1-16(c)所示。在發(fā)射極電極側(cè)形成N+PN-寄生晶體管。若N+PN-寄生晶體管工作，又變成P+N-PN+晶閘管。電流繼續(xù)流動(dòng)，直到輸出側(cè)停止供給電流。通過輸出信號(hào)已不能進(jìn)行控制。一般將這種狀態(tài)稱為閉鎖狀態(tài)。

為了抑制N+PN-寄生晶體管的工作，IGBT采用盡量縮小P+N-P品體管的電流放大系數(shù)a作為解決閉鎖的措施。具體地來說，P+N-P的電流放大系數(shù)a設(shè)計(jì)為0.5以下。IGBT的閉鎖電流1為額定電流(直流)的3倍以上。IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓 uce決定。

(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，主要差是IGBT增加了P+基片和一個(gè)N+緩沖層(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(dòng)兩個(gè)雙極器件。基片的應(yīng)用在管體的P+和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)】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)生一股電了流。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，一些空穴注人N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽(yáng)極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并起動(dòng)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)?一個(gè)電子流(MOSFET電流)，另一種為空穴電流(雙極)。“c:大于開啟電壓Uc(*)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R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，沒有空穴注人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、1和Uc密切相關(guān)的空穴移動(dòng)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 U、1c和T有關(guān)。柵射極間施加反壓或不加信號(hào)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(huì)受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個(gè)層面的厚度，將無(wú)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(huì)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/N的B3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)門鎖。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(huì)導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會(huì)使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對(duì)等效MOSFET的控制能力降低，通常還會(huì)引起器件擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為ICBT門鎖，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(dòng)態(tài)門鎖有如下主要區(qū)別:

1)當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，靜態(tài)門鎖出現(xiàn)。2)只在關(guān)斷時(shí)才會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)門鎖。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NTN部分接通分別改變布局和摻雜級(jí)別;二是降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，門鎖電流對(duì)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(huì)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。