IGBT的工作原理和工作特性

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 MOSFE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勺沟道形成后，从 P+基极注入到N 层的空穴(少子)，对N 层进行电导调制，减小N 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的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电

2、流与栅极电压之间的关系曲线。输岀漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输岀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的转移特性是指输岀漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET勺转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 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

3、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勺电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示：Uds(o n) = Uj1 + Udr + IdRoh(2 14)式中Uj1 JI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Ids可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)lmos(2 15)式中Imos流过MOSFE的电流。由于N+区存在电导调制效

4、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MOSFE睐运行的，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。实际应用中常给岀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组成，如图2 58所示图开通时IGBT的电流*电压波形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

5、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。实际应用中常常给岀的漏极电流的下降时间Tf由图2 - 59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)( 2 16 )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

6、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(Subchannelregion )。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

7、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 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 MOSFE相似。in z yj m刊曲嚼遥*&箱t hi r.“itN沟道IGBT结构2IGBT的结构剖面图由图2可以看出，IGBT相当于一个由MOSFE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、MOSFE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 2

8、 5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所示图2-56 N IGHT的图形符峥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，MOSFE呐形成沟道， 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区进行电导调 制，减少N 区的电阻Rdr值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。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PN NPN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

9、 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 层注入少量载流子的结果。IGBT的设计是通过PNP NPN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I C集电极所允许的最大直流电流

10、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I CES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I GES集电极、发射极间短路，在栅极、集电极间加上指定的电压 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Css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

11、流规格IGBT模块的集电极电流增大时，Vce（-）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（Tj）在150 C以下（通常为安全起见，以125C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。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600V1200V1400V电源电

12、压200V; 220V; 230V; 240V346V; 350V; 380V; 400V; 415V; 440V575V2.防止静电IGBT的Vge的耐压值为土 20V,在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10kQ左左的电阻为宜。此外，由于IGBT模块为MOS吉构，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

13、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

14、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，不应偏离太大。常温的规定 为5-35C,常湿的规定为45 75%左右。2) 开、关时的浪涌电压等的测定，请在端子处测定。图259关斷时IGBT的电电压波形实验目的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。、实验内容1. IGBT主要参数测试。2. EXB840性能测试。3. IGBT开关特性测试。4. 过流保护性能测试。三、实验设备和仪器1. MCL系列教学实验台主控制屏2. M

15、C 07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5 1。五、实验方法1 . IGBT主要参数测试（1 ）开启阀值电压 Vss（th）测试在主回路的“ 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I D=1mA时的栅源电压值即为开启阀值电压血（th）。读取67组Id、Vgs，其中IKmA必测，填入表 5 1。I d (mA1Vgs (V)(2

16、 )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值，测量56组数据，填入表5 2。表52I d (mA1Vgs (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5 6组数据，填入表5 3I d (mA1Vgs (V)2 . EXB840性能测试(1) 输入输岀延时时间测试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”

17、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。t ont off(2) 保护输岀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”，“

18、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”与“17”相连，即按照以下表格的说明连线。IGBT : 170IGBT : 10TIGBT : 4tIGBT : 6tIGBT : 120主回路：4主回路：3IGBT : 5IGBT : 7IGBT : 3IGBT : 14RP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， 测岀主回路“ 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G功能测试供教师研究用EXB840使用手

19、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）。a. C1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”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。IGBT： 1IGET：13IGET : 4IGBT : 6IGBT

20、: 2IGET : 120000t0F冊：1-PffM :2I(?ET : 5IGBT : 7IGBT : 3TGBT : 14IGBT : 17IGBT :10IGBT : 15IGBT : 13500IGBT : 1SIGET：18主回路：4主回路：1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“

21、11”与“14”相连，栅极电阻从R5 =3k Q改为R=27Q，其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R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，绘岀IGBT的主要参数的表格与曲线2绘岀输入、输岀及对光耦

22、延时以及慢速关断等波形，并标岀延时与慢速关断时间3绘岀所测的负栅压值与过流阀值电压值。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t0N与t0FF。5绘岀电阻负载与电阻、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岀评价。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 Vi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MOSFE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

23、、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等方面作一分析比较。15?014-+WTi 0 09-4HD010i-O4D20 01130斗O512o13180 190171565 3 1oItiroRLi RySf-VH0 j HH国,1 1GBT实验电路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

24、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+

25、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 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 层的空穴(少子)，对N 层进行电导调制，减小N 层的电阻，使IGBT在高

26、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。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

27、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(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(o n) = Uj1 + Udr + IdRoh式中Uj1 JI结的正向电压，其值为 0.71V ; Udr 扩

28、展电阻 Rdr上的压降；Roh 沟道电阻。通态电流Ids可用下式表示：Ids=(1+Bp np)lmos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tfel和tfe2

29、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 栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当

30、。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

31、术，主要采用1 u m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（b）所示，IGBT的符号如图1 （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

32、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 a作为解决闭锁的措施。具体 地来说，p+n-p的电流放大系数a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+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

33、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）。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。(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

34、，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、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

35、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。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

36、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

37、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

38、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：10*/?巧.=纵亠+瞌这样就可以使得在IGBT开通初期，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7 保护电路波形驱动信号的隔离传输方式考虑咼压大功率IGBT驱动器工作在咼电压环境，为了保证控制器不受咼压侧的影响，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