IGBT的工作原理和工作特性.doc

1、IGBT 的工作原理和工作特性IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极电流，使 IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使 IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制输入极 N 一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当 MOSFET 的沟道形成后，从 P+基极注入到 N 一层的空穴（少子），对 N 一层进行电导调制，减小 N 一层的电阻，使 IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT 的工作特性包括静态和动态两类：1静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT 的

2、伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压 Ugs 的控制，Ugs 越高，Id 越大。它与 GTR 的输出特性相似也可分为饱和区 1、放大区 2 和击穿特性 3 部分。在截止状态下的 IGBT，正向电压由 J2 结承担，反向电压由 J1 结承担。如果无 N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入 N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些应用范围。IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的关系曲线。它与 MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 Ugs(t

3、h)时，IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内，Id 与 Ugs 呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为 15V 左右。IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其 B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为 IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压 Uds(on)可用下式表示:Uds(on)Uj1UdrIdRoh （214）式中 Uj1JI 结的正向电压，其值为 0.7IV；Udr扩展电阻 Rdr 上的压降；Roh沟道电阻。通态电流 I

4、ds 可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos (215）式中 Imos流过 MOSFET 的电流。由于 N+区存在电导调制效应，所以 IGBT 的通态压降小，耐压 1000V 的 IGBT 通态压降为 23V。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。2动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为 MOSFET 来运行的，只是在漏源电压 Uds 下降过程后期，PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为 td(on)tri 之和。漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2

5、 组成，如图 258 所示IGBT 在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为 MOSFET 关断后， PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间， td(off) 为关断延迟时间， trv 为电压 Uds(f) 的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间 Tf 由图 259 中的 t(f1) 和 t(f2) 两段组成，而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv + t(f) （ 216 ）式中， td(off) 与 trv 之和又称为存储时间。IGBT 的基本结构绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个

6、P 型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。 图 1 所示为一个 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。 N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的 P 型区（包括 P+和 P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region ）。而在漏区另一侧的 P+ 区称为漏注入区（Drain injector ），它是 IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成 PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器

7、件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 为了兼顾长期以来人们的习惯，IEC 规定：源极引出的电极端子（含电极端）称为发射极端（子），漏极引出的电极端（子）称为集电极端（子）。这又回到双极晶体管的术语了。但仅此而已。 IGBT 的结构剖面图如图 2 所示。它在结构上类似于 MOSFET ，其不同点在于 IGBT 是在 N 沟道功率 MOSFET 的 N+基板（漏极）上增加了一个 P+ 基板（IGBT 的集电极），形成 PN 结 j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与 MOSFET 相似。图 1 N 沟道 IGBT 结构 图 2 IGBT 的结构剖面图由图 2 可以看出，IGBT 相当于

8、一个由 MOSFET 驱动的厚基区 GTR ，其简化等效电路如图 3 所示。图中 Rdr 是厚基区 GTR 的扩展电阻。IGBT 是以 GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。 N 沟道 IGBT 的图形符号有两种，如图 4 所示。实际应用时，常使用图 25 所示的符号。对于 P 沟道，图形符号中的箭头方向恰好相反，如图 4 所示。IGBT 的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET 内形成沟道，并为 PNP 晶体管提供基极电流，从而使 IGBT 导通，此时，从 P+区注到 N 一区进行电导调制，减少 N 一区的电阻 Rdr 值，使高耐压的 IGBT 也具有低

9、的通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET 内的沟道消失，PNP 晶体管的基极电流被切断，IGBT 即关断。 正是由于 IGBT 是在 N 沟道 MOSFET 的 N+ 基板上加一层 P+ 基板，形成了四层结构，由 PNPNPN 晶体管构成 IGBT 。但是，NPN 晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使 NPN 不起作用。所以说， IGBT 的基本工作与 NPN 晶体管无关，可以认为是将 N 沟道 MOSFET 作为输入极，PNP 晶体管作为输出极的单向达林顿管。 采取这样的结构可在 N 一层作电导率调制，提高电流密度。这是因 为从 P+ 基板经过 N+ 层向高电阻的 N 一层注入少

10、量载流子的结果。 IGBT 的设计是通过 PNPNPN 晶体管的连接形成晶闸管。2.IGBT 模块的术语及其特性术语说明术语 符号 定义及说明（测定条件参改说明书）集电极、发射极间电压 VCES 栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最大电压 栅极发极间电压 VGES 集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大电压 集电极电流 IC 集电极所允许的最大直流电流 耗散功率 PC 单个 IGBT 所允许的最大耗散功率 结温 Tj 元件连续工作时芯片温厦 关断电流 ICES 栅极、发射极间短路，在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。漏电流 IGES 集电极、发射极间短路，在栅极、集电极间

11、加上指定的电压时的栅极漏电流 饱和压降V CE(sat) 在指定的集电极电流和栅极电压的情况下，集电极、发射极间的电压。输入电容 Clss 集电极、发射极间处于交流短路状态，在栅极、发射极间及集电极、发射极间加上指定电压时，栅极、发射极间的电容 3.IGBT 模块使用上的注意事项1. IGBT 模块的选定 在使用 IGBT 模块的场合，选择何种电压，电流规格的 IGBT 模块，需要做周密的考虑。a. 电流规格IGBT 模块的集电极电流增大时，V CE(-)上升，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，原件发热加剧。因此，根据额定损耗，开关损耗所产生的热量，控制器件结温（T j）在 150

12、oC 以下（通常为安全起见，以 125oC 以下为宜），请使用这时的集电流以下为宜。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热也加剧，需十分注意。一般来说，要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用，从经济角度这是值得推荐的。b.电压规格 IGBT 模块的电压规格与所使用装置的输入电源即市电电源电压紧密相关。其相互关系列于表 1。根据使用目的，并参考本表，请选择相应的元件。 元器件电压规格600V 1200V 1400V电源电压200V；220V；230V；240V346V；350V；380V；400V；415V；440V 575V2. 防止静电IGBT 的 VGE的耐压值为20V，在

13、 IGBT 模块上加出了超出耐压值的电压的场合，由于会导致损坏的危险，因而在栅极-发射极之间不能超出耐压值的电压，这点请注意。在使用装置的场合，如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时（珊极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则 IGBT 就会损坏，为防止这类损坏情况发生，应在栅极一发射极之间接一只 10k 左左的电阻为宜。此外，由于 IGBT 模块为 MOS 结构，对于静电就要十分注意。因此，请注意下面几点：1) 在使用模块时，手持分装件时，请勿触摸驱动端子部份。2) 在用导电材料连接驱动端子的模块时，在配线未布好之前，请先不要接上模块。3) 尽量在底板良好接地的情况下操作。4) 当必

14、须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电放电后，再触摸。5) 在焊接作业时，焊机与焊槽之间的漏泄容易引起静电压的产生，为了防止静电的产生，请先将焊机处于良好的接地状态下。6) 装部件的容器，请选用不带静电的容器。3.并联问题用于大容量逆变器等控制大电流场合使用 IGBT 模块时，可以使用多个器件并联。并联时，要使每个器件流过均等的电流是非常重要的，如果一旦电流平衡达到破坏，那么电过于集中的那个器件将可能被损坏。为使并联时电流能平衡，适当改变器件的特性及接线方法。例如。挑选器件的VCE(sat)相同的并联是很重要的。4.其他注意事项1) 保存半导体原件的场所的温度，温度，应保持在常温常湿状态

15、，不应偏离太大。常温的规定为 535，常湿的规定为 4575左右。2) 开、关时的浪涌电压等的测定，请在端子处测定。实验目的1熟悉 IGBT 主要参数与开关特性的测试方法。2掌握混合集成驱动电路 EXB840 的工作原理与调试方法。二、实验内容1IGBT 主要参数测试。2EXB840 性能测试。3IGBT 开关特性测试。4过流保护性能测试。三、实验设备和仪器1MCL 系列教学实验台主控制屏 2MCL07 电力电子实验箱中的 IGBT 与 PWM 波形发生器部分。3万用表二块 4双踪示波器。 四、实验线路见图 51。五、实验方法1IGBT 主要参数测试（1）开启阀值电压 VGS（th） 测试在主

16、回路的“1”端与 IGBT 的“18”端之间串入毫安表，将主回路的“3”与“4”端分别与 IGBT 管的“14”与“17”端相连，再在“14”与“17”端间接入电压表，并将主回路电位器 RP 左旋到底。将电位器 RP 逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表，当漏极电流 ID=1mA 时的栅源电压值即为开启阀值电压 VGS（th） 。读取 67 组 ID、Vgs，其中 ID=1mA 必测，填入表 51。表 51ID（mA） 1 Vgs（V） （2）跨导 gFS测试在主回路的“2”端与 IGBT 的“18”端串入安培表，将 RP 左旋到底，其余接线同上。将 RP 逐渐向右旋转，读取 ID与对应的 VGS

17、值，测量 56 组数据，填入表 52。表 52ID（mA） 1 Vgs（V） （3）导通电阻 RDS测试将电压表接入“18”与“17”两端，其余同上，从小到大改变 VGS，读取 ID与对应的漏源电压 VDS，测量 56 组数据，填入表53。表 53ID（mA） 1 Vgs（V） 2EXB840 性能测试（1）输入输出延时时间测试IGBT 部分的“1”与“13”分别与 PWM 波形发生部分的“1”与“2”相连，再将 IGBT 部分的“10”与“13”、与门输入“2”与“1”相连，用示波器观察输入“1”与“13”及 EXB840 输出“12” 与“13”之间波形，记录开通与关断延时时间。ton=

18、，t off= 。 （2）保护输出部分光耦延时时间测试将 IGBT 部分“10”与“13”的连线断开，并将“6”与“7”相连。用示波器观察“8”与“13”及“4”与“13” 之间波形，记录延时时间。（3）过流慢速关断时间测试接线同上，用示波器观察“1”与“13”及“12”与“13”之间波形，记录慢速关断时间。（4）关断时的负栅压测试断开“10”与“13”的相连，其余接线同上，用示波器观察“12”与“17”之间波形，记录关断时的负栅压值。（5）过流阀值电压测试断开“10”与“13”，“2”与“1”的相连，分别连接“2”与“3”，“4”与“5”，“6”与“7”，将主回路的“3”与“4”分别和“10

19、”与“17”相连，即按照以下表格的说明连线。RP 左旋到底，用示波器观察“12”与“17”之间波形，将 RP 逐渐向右旋转，边旋转边监视波形，一旦该波形消失时即停止旋转，测出主回路“3”与“4”之间电压值，该值即为过流保护阀值电压值。（6）4 端外接电容器 C1功能测试供教师研究用EXB840 使用手册中说明该电容器的作用是防止过流保护电路误动作（绝大部分场合不需要电容器）。aC1 不接，测量“8”与“13”之间波形。b“9”与“13”相连时，测量“8”与“13” 之间波形，并与上述波形相比较。3开关特性测试（1）电阻负载时开关特性测试将“1”与“13”分别与波形发生器“1”与“2”相连，“4

20、”与“5”，“6”与“7”，2“与”3“，“12”与“14”，“10”与“18”，“17”与“16”相连，主回路的“1”与“4”分别和 IGBT 部分 的“18”与“15”相连。即按照以下表格的说明连线。用示波器分别观察“18”与“15”及“14”与“15”的波形，记录开通延迟时间。（2）电阻，电感负载时开关特性测试将主回路“1”与“18”的连线断开，再将主回路“2”与“18”相连，用示波器分别观察“18”与“15”及“16”与“15”的波形，记录开通延迟时间。（3）不同栅极电阻时开关特性测试将“12”与“14”的连线断开，再将“11”与“14”相连，栅极电阻从 R53k 改为 R4=27，其

21、余接线与测试方法同上。4并联缓冲电路作用测试（1）电阻负载，有与没有缓冲电路时观察“14”与“17”及“18”与“17”之间波形。（2）电阻，电感负载，有与没有缓冲电路时，观察波形同上。5过流保护性能测试，栅计电阻用 R4在上述接线基础上，将“4”与“5”，“6”与“7”相连，观察“14”与“17”之间波形，然后将“10”与“18”之间连线断开，并观察驱动波形是否消失，过流指示灯是否发亮，待故障消除后， 揿复位按钮即可继续进行试验。六、实验报告1根据所测数据，绘出 IGBT 的主要参数的表格与曲线 。2绘出输入、输出及对光耦延时以及慢速关断等波形，并标出延时与慢速关断时间。3绘出所测的负栅压值

22、与过流阀值电压值。4绘出电阻负载，电阻电感负载以及不同栅极电阻时的开关波形，并在图上标出 tON 与 tOFF。5绘出电阻负载与电阻、电感负载有与没有并联缓冲电路时的开关波形，并说明并联缓冲电路的作用。6过流保护性能测试结果，并对该过流保护电路作出评价。7实验的收获、体会与改进意见。七、思考题1试对由 EXB840 构成的驱动电路的优缺点作出评价。2在选用二极管 V1时，对其参数有何要求？其正向压降大小对 IGBT 的过流保护功能有何影响？3通过 MOSFET 与 IGBT 器件的实验，请你对两者在驱动电路的要求，开关特性与开关频率，有 、无反并联寄生二极管，电流、电压容量以及使用中的注意事项

23、等方面作一分析比较。深圳市学林电子有限公司产品的购买方式IGBT 是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率 MOSFET 的自然进化。MOSFET 由于实现一个较高的击穿电压 BVDSS 需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率 MOSFET 具有 RDS(on)数值高的特征，IGBT 消除了现有功率 MOSFET 的这些主要缺点。虽然最新一代功率 MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比 IGBT 高出很多。IGBT 较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及 IGBT 的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高

24、电流密度，并简化 IGBT 驱动器的原理图。1.IGBT 的结构与工作原理图 1 所示为一个 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的 P 型区（包括 P+ 和 P 一区） （沟道在该区域形成） ，称为亚沟道区（ Subchannel region ） 。而在漏区另一侧的 P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ） ，它是 IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成 PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降

25、低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极电流，使 IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使 IGBT 关断。 IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制输入极 N 一沟道 MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当 MOSFET 的沟道形成后，从 P+ 基极注入到 N 一层的空穴（少子） ，对 N 一层进行电导调制，减小 N 一层的电阻，使 IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。2.IGBT 的工作特性1.静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性

26、。IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压 Ugs 的控制， Ugs 越高， Id 越大。它与 GTR 的输出特性相似也可分为饱和区 1 、放大区 2 和击穿特性 3 部分。在截止状态下的 IGBT ，正向电压由 J2 结承担，反向电压由 J1 结承担。如果无 N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入 N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些应用范围。IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的关系曲线。它与 MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压

27、小于开启电压 Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与 Ugs 呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为 15V 左右。IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其 B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过 MOSFET 的电流成为 IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压 Uds(on) 可用下式表示：Uds(on) Uj1 Udr IdRoh式中 Uj1 JI 结的正向电压，其值为 0.7 1V ；Udr 扩展电阻 Rdr 上的

28、压降；Roh 沟道电阻。通态电流 Ids 可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中 Imos 流过 MOSFET 的电流。由于 N+ 区存在电导调制效应，所以 IGBT 的通态压降小，耐压 1000V 的 IGBT 通态压降为 2 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。2.动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为 MOSFET 来运行的，只是在漏源电压 Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间 ton 即为 td (on) tri 之和

29、。漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2 组成。IGBT 的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为 IGBT 栅极- 发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行触发，不过由于 IGBT 的输入电容较MOSFET 为大，故 IGBT 的关断偏压应该比许多 MOSFET 驱动电路提供的偏压更高。IGBT 的开关速度低于 MOSFET，但明显高于 GTR。IGBT 在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并

30、联电阻的增加而增加。IGBT 的开启电压约 34V ，和 MOSFET 相当。IGBT 导通时的饱和压降比MOSFET 低而和 GTR 接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。正式商用的高压大电流 IGBT 器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到 10KV 以上。目前只能通过 IGBT 高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士 ABB 公司采用软穿通原则研制出了 8KV 的 IGBT 器件，德国的EUPEC 生产的 6500V/600A 高压大功率 IGBT 器件已经获得实际应用，日本东芝

31、也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发 IGBT 的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1m 以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。3.IGBT 的工作原理N 沟型的 IGBT 工作是通过栅极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发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图1（b）所示，IGBT 的符号如图 1（c）所示。在发射极电极侧形成

32、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。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 作为解决闭锁的措施。具体地来说，p+n-p 的电流放大系数 设计为 0.5 以下。 IGBT 的闭锁电流 IL 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+

33、 基片和一个 N+ 缓冲层（NPT-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+和 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，并启动了第二个电荷流。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) ；空穴电流（双极）

34、。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 RN 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

35、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、IC 和 VCE 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 VCE、IC和 TC 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

36、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：当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限

37、制了安全操作区。为防止寄生 NPN 和 PNP 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 NPN 和 PNP 晶体管的总电流增益。此外，闩锁电流对 PNP 和 NPN 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 1：5。当前普遍采用的 IGBT 短路或过流保护方式是通过检测 Vce 的电压值来实现的5，当 IGBT 出现短路或过流时，其工作区将退出饱和区而使 Vce 电压升

38、高，具体的保护电路原理如图 6 所示。通过二极管 D 与 IGBT的集电极相连来实现 IGBT 的欠饱和检测，Vce 电压升高将相应地使串联二极管的阳极电位升高，当超过设定的短路门限时保护电路动作，关断 IGBT。由于 IGBT 在开通初期的集电极电压比较高，如果此时保护电路工作可能造成误动作，必须设置一个盲区时间，在此时间内短路保护电路是不工作的。此功能是通过开关S 和外接并联电阻 Rce 和电容 Cce 来实现的，当 IGBT 关断时，S 开通，电容 Cce 被充电到 15V，当 IGBT 开通时，S 关断， Cce 电容经 Rce 放电，放电终止电压为:这样就可以使得在 IGBT 开通初

39、期，参考电压高于检测电压，防止保护电路误动作，正常工作时的波形如图 7(a)所示。发生短路或过流故障时的波形如图 7(b)所示。图 6 短路保护电路原理图(a) (b)图 7 保护电路波形驱动信号的隔离传输方式考虑高压大功率 IGBT 驱动器工作在高电压环境，为了保证控制器不受高压侧的影响，驱动脉冲信号必须经过隔离后再传送到 IGBT 的栅极。通常的隔离方式有光隔离和磁隔离，光隔离又包括光耦隔离和光纤隔离，光耦隔离方式由于隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和可靠性等方面的问题，在直流母线电压超过 800V 的高压应用场合很少采用。而采用脉冲变压器隔离方式(磁隔离) 可以实现相对较高的隔离电压

40、，而且变压器的可靠性高，传输延迟小，可以实现较高的开关频率，不存在老化的问题，因此在高压 IGBT 驱动器中多数采用脉冲变压器作为隔离元件来完成驱动信号的隔离传输。传统的驱动用脉冲变压器是将放大后的脉冲信号隔离后直接驱动 IGBT 或功率 MOS 管，其基本的电路原理如图 2 所示。初级串联电容的作用是去除驱动脉冲的直流分量。次级并联的稳压管用于防止输出电压过高而损坏功率开关管。这种工作方式无需单独的驱动电源，电路设计简单，成本也比较低。但是当驱动脉冲的占空比变化范围比较大，特别是在占空比比较大时，由于变压器输出波形在一个周期的伏秒面积必须相等，可能使输出正脉冲幅度减小，以至于无法正常驱动 I

41、GBT，通常要求控制脉冲占空比小于 50%。同时，脉冲变压器磁芯的饱和问题也限制了控制脉冲的导通时间。另外一个缺点是驱动波形存在失真，特别是在驱动大功率 IGBT 时，由于 IGBT 的输入电容比较大，脉冲变压器次级输出的驱动脉冲波形很难满足驱动要求。因此，这种驱动方式主要应用于小功率的开关电源中。 图 2 脉冲变压器隔离驱动电路图对于高压大功率 IGBT，上述驱动方式显然无法应用。通常采用的方法是调制驱动脉冲信号，将其上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号，脉冲变压器只是将这两个脉冲信号耦合到次级，再通过次级重构的方法还原驱动脉冲信号。其工作原理如图 3 所示。图 3 脉冲边缘耦合传递方式

42、此种方法可称为脉冲边缘耦合传递方式。这种方式的优点是脉冲变压器只传递脉冲宽度固定的窄脉冲信号，可以适应占空比宽范围变化的驱动脉冲信号。由于变压器传递的是窄脉冲信号，变压器的磁芯和绕组可以取比较小的值，相应的漏感和分布电容也比较小，这都有利于脉冲变压器的设计和信号的传输。不足之处是增加了变换和重构电路，电路相对比较复杂一些。图 4 为变换后脉冲变压器初级实验波形。2.3 内置 DC/DC 隔离变换器大功率 IGBT 驱动模块为了方便用户对驱动电源的设计，内部通常都自带了 DC/DC 变换器。具有高隔离电压等级的 DC/DC 变换器无需用户单独设计隔离电源，集成的隔离变换器通常采用半桥式或推挽式的

43、结构，为了增加隔离电压，简化变换器控制电路，一般不带闭环控制，个别驱动器在输出端增加了线性稳压电源来实现驱动电压的稳定。为了减小变压器的体积，工作频率多在 100kHz 以上。在高压大功率应用场合，根据不同的母线电压，驱动器初次级之间必须要求具有很高的隔离电压耐量，900V DC 的母线电压要求至少有 4kV AC 的隔离电压。另外一个必须考虑的因素是 dv/dt 耐量，当 IGBT 高速开关时，可能产生非常高的 dv/dt，此信号可以经过隔离变压器或脉冲变压器耦合到初级控制电路，对控制电路产生干扰。因此，在隔离变压器的设计时还要求其具有非常小的初次级耦合电容，根据对 dv/dt 耐量具体的要求来决定其变压器耦合电容容量大小，通常情况下都要小于 20pF。