? ? ? ?介于P+注入?yún)^(qū)與N*漂移區(qū)之間的N’層稱為緩沖區(qū)。有無緩沖區(qū)可以獲得不同特性的IGBT有N+緩沖區(qū)的IGBT稱為非對(duì)稱型(也稱穿通型) IGBT ,它具有正向壓降小關(guān)斷時(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部電流小等優(yōu)點(diǎn),但反向阻斷能力相對(duì)較弱。
? ? ? ?無N*緩沖區(qū)的IGBT稱為對(duì)稱型(也稱非穿通型) IGBT ,具有較強(qiáng)的正反向阻斷能力,但其他特性卻不及非對(duì)稱型IGBT。在圖3-10(a)中 , C為集電極,E為發(fā)射極,G為柵極(也稱門極)。該器件的電氣圖形符號(hào)如圖3-10 ( C )所示,圖中所示箭頭表示IGBT中電流流動(dòng)的方向( P溝道IGBT的箭頭與其相反)。
? ? ? ?②工作原理簡單來說 , IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管,它的簡化等效電路如圖3-10 ( b )所示,圖中RN為PNP晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。從該等效電路可以清楚地看出，IGBT是用晶體管和功率MOSFET組成的復(fù)合器件。因?yàn)閳D中的晶體管為PNP型晶體管，MOSFET為N溝道場效應(yīng)晶體管,所以這種結(jié)構(gòu)的IGBT稱為N溝道IGBT。類似地還有P溝道IGBTIGBT是一種場控器件,它的開通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間電壓Ug;決定。當(dāng)柵射極電壓UgE為正且大于開啟電壓UGE (th)時(shí), MOSFET內(nèi)形成溝道并為PNP晶體管提供基極電流,進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí),從P*區(qū)注入N的空穴(少數(shù)載流子)對(duì)N~區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制,減小N~區(qū)的電阻RN ,使高耐壓的IGBT也具有很低的通態(tài)壓降。當(dāng)柵射極間不加信號(hào)或加反向電壓時(shí), MOSFET內(nèi)的溝道消失,則PNP晶體管的基極電流被切斷, IGBT即關(guān)斷。由此可見, IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與MOSFET基本相同。
? ? ? ?(2)基本特性
? ? ? ?①靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性包括轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。
? ? ? ?a.轉(zhuǎn)移特性。IGBT的轉(zhuǎn)移特性用來描述IGBT集電極電流Ic與柵射電壓UGE間的相互關(guān)系,如圖3-11 ( a )所示。此特性與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似。由圖3-11 (a)可知, Ic與Uq;基本呈線性關(guān)系，只有當(dāng)UGE在UGE(th)附近時(shí)才呈非線性關(guān)系。當(dāng)柵射電壓Ug;小于UqGE ( th)時(shí), IGBT處于關(guān)斷狀態(tài);當(dāng)Ug大于UcGE(th)時(shí)，IGBT開始導(dǎo)通。由此可知, UGE( th)是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的柵射電壓。UGE ( th)隨溫度升高略有下降,溫度每升高1°C ,其值下降5mV左右。在25°C時(shí), IGBT的開啟電壓UGGE(th)一般為2 ~ 6V。
? ? ? ?b輸出特性。IGBT的輸出特性也稱伏安特性,它描述的是以柵射電壓UGE為控制變量時(shí)集電極電流Ic與集射極間電壓UcE之間的關(guān)系。IGBT的輸出特性如圖3-11 ( b )所示。此特性與GTR的輸出特性相似,不同的是控制變量, IGBT為柵射電壓UGE ,而晶體管為基極電流Ig。IGBT的輸出特性分正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)UGE <0時(shí), IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。參照?qǐng)D3-11(a)可知，此時(shí)P+N結(jié)(Jj結(jié))處于反偏狀態(tài),因而不管MOSFET的溝道體區(qū)中有沒有形成溝道, 均不會(huì)有集電極電流出現(xiàn)。由此可見, IGBT由于比MOFET多了一一個(gè)J結(jié)而獲得反向電壓阻斷能力1IGBT能夠承受的反向阻斷電壓URn取決于J1結(jié)的雪崩擊穿電壓。當(dāng)UcE> 而UGE< UGE(th )時(shí), IGBT為正向阻斷工作狀態(tài)。此時(shí)J結(jié)處于反偏狀態(tài),且MOSFET的溝道體區(qū)內(nèi)沒有形成溝道, IGBT的集電極漏電流IcEs很小。IGBT能夠承受的正向阻斷電壓UFμ取決于J2的雪崩擊穿電壓。如果UcE> 0而且UGE< UGE (th)時(shí), MOSFET的溝通體區(qū)內(nèi)形成導(dǎo)電溝道，IGBT進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。
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? ? ? ?此時(shí),由于J1結(jié)處于正偏狀態(tài), P+區(qū)將向N基區(qū)注入空穴。當(dāng)正偏壓升高時(shí),注入空穴的密度也相應(yīng)增大,直到超過N基區(qū)的多數(shù)載流子密度為止。在這種狀態(tài)工作時(shí),隨著柵射電壓UgE的升高,向N基區(qū)提供電子的導(dǎo)電溝道加寬,集電極電流Ic將增大,在正向?qū)ǖ拇蟛糠謪^(qū)域內(nèi), Ic與UcE呈線性關(guān)系,而與UcE無關(guān),這部分區(qū)域稱為有源區(qū)或線性區(qū)。IGBT的這種工作狀態(tài)稱為有源工作狀態(tài)或線性工作狀態(tài)。對(duì)于工作在開關(guān)狀態(tài)的IGBT ,應(yīng)盡量避免_工作在有源區(qū)(線性區(qū)) ,否則IGBT的功耗將會(huì)很大。飽和區(qū)是指輸出特性比較明顯彎曲的部分,此時(shí)集電極電流Ic與極射電壓Uge不再呈線性關(guān)系。在電力電子電路中, IGBT工作在開關(guān)狀態(tài),因而IGBT是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。
? ? ? ?②動(dòng)態(tài)特性
? ? ? ?圖3-12給出了IGBT開關(guān)過程的波形圖。IGBT的開通過程與MOSFET的開通過程很相似。這是因?yàn)镮GBT在開通過程中大部分時(shí)間是作為MOSFET運(yùn)行的。開通時(shí)間ton定義為從驅(qū)動(dòng)電壓UcE的脈沖前沿上升到10% UGEM (幅值)處起,至集電極電流Ic上升到90%Icm處止所需要的時(shí)間。開通時(shí)間o又可分為開通延遲時(shí)間t(on )和電流上升時(shí)間t,兩部分，td(on )定義為從10% UGE到出現(xiàn)10% Icr所需要的時(shí)間，t,定義為集電極電流Ic從10%Icm上升至90%IcM所需要的時(shí)間。集射電壓UcE的下降過程分成tv1和trn2兩段, trn段曲線為IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程，t+v2段曲線為MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。trz段電壓 下降變緩的原因有兩個(gè):其一是UcE電壓下降時(shí), IGBT中MOSFET的柵漏電容增加,致使電壓下降變緩,這與MOSFET相似;其二是IGBT的PNP晶體管由放大狀態(tài)轉(zhuǎn)換到飽和狀態(tài)要有一個(gè)過程，下降時(shí)間變長,這也會(huì)造成電壓下降變緩。由此可知IGBT只有在t2結(jié)束時(shí)才完全進(jìn)入飽和狀態(tài)。
