IGBT基本原理及特性选用及故障判断

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1、IGBT基本原理及特性選用及故障判斷IGBT的開關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關斷。IGBT的驅動方法和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MOSFET的溝道形成後，從P+基極注入到N一層的空穴（少子），對N一層進行電導調製，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態電壓。IGBT的工作特性包括靜態和動態兩類：1．靜態特性:IGBT的靜態特性主要

2、有伏安特性、轉移特性和開關特性。IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關係曲線。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1、放大區2和擊穿特性3部分。在截止狀態下的IGBT，正向電壓由J2結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩衝區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩衝區後，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應用範圍。IGBT的轉移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關係曲

3、線。它與MOSFET的轉移特性相同，當柵源電壓小於開啟電壓Ugs(th)時，IGBT處於關斷狀態。在IGBT導通後的大部分漏極電流範圍內，Id與Ugs呈線性關係。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的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關係。IGBT處於導通態時，由於它的PNP晶體管為寬基區晶體管，所以其B值極低。儘21管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on)可用下式表示Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh式

4、中Uj1——JI結的正向電壓，其值為0.7～IV；Udr——擴展電阻Rdr上的壓降；Roh——溝道電阻。通態電流Ids可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos——流過MOSFET的電流。由於N+區存在電導調製效應，所以IGBT的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT通態壓降為2～3V。IGBT處於斷態時，只有很小的洩漏電流存在。2．動態特性IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，只是在漏源電壓Uds下降過程後期，PNP晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on)為

5、開通延遲時間，tri為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton即為td(on)tri之和。漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成，如圖2－58所示21IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷後，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間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖2－59中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間t(off)=td(off)+trv十

6、t(f)（2－16）式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。IGBT的結構及特性21IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS結構雙極器件，屬於具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。IGBT的應用範圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區域。多使用在工業用電機、民用小容量電機、變換器（逆變器）、照像機的頻閃觀測器、感應加熱（InductionHeating）電飯鍋等領域。根據封裝的不同，IGBT大致分為兩種類型，一種是

7、模壓樹脂密封的三端單體封裝型，從TO－3P到小型表面貼裝都已形成系列。另一種是把IGBT與FWD（FleeWheelDiode）成對地（2或6組）封裝起來的模塊型，主要應用在工業上。模塊的類型根據用途的不同，分為多種形狀及封裝方式，都已形成系列化。IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。MOSFET由於實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特徵，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主

8、要缺點。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT高出很多。IGBT較低的壓降，轉換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，與同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，並簡化IGBT驅動器的原理圖。1.IGBT的結構與工作原理圖1所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構，N+區稱為源區，附於其上的電極稱為