绝缘栅双极型晶体管擎住效应和安全工作区

时间:2023-03-14作者:佚名

1.擎住效应

如前所述,在IGBT管内存在一个由两个晶体管构成的寄生晶闸管,同时P基区内存在一个体区电阻Rbr,跨接在N PN晶体管的基极与发射极之间,P基区的横向空穴电流会在其上产生压降,在J3结上形成一个正向偏置电压。若IGBT的集电极电流IC大到一定程度,这个Rbr上的电压足以使N PN晶体管开通,经过连锁反应,可使寄生晶闸管导通,从而IGBT栅极对器件失去控制,这就是所谓的擎住效应。它将使IGBT集电极电流增大,产生过高功耗导致器件损坏。

擎住现象有静态与动态之分。静态擎住指通态集电极电流大于某临界值ICM后产生的擎住现象,对此规定有IGBT最大集电极电流ICM的限制。动态擎住现象是指关断过程中产生的擎住现象。IGBT关断时,MOSFET结构部分关断速度很快,J2结的反压迅速建立,反压建立速度与IGBT所受重加dUCE/dt大小有关。dUCE/dt越大,J2结反压建立越快,关断越迅速,但在J2结上引起的位移电流CJ2·(dUCE/dt)也越大。此位移电流流过体区电阻Rbr时可产生足以使N PN管导通的正向偏置电压,使寄生晶闸管开通,即发生动态擎住现象。由于动态擎住时所允许的集电极电流比静态擎住时小,故器件的ICM应按动态擎住所允许的数值来决定。为了避免发生擎住现象,使用中应保证集电极电流不超过ICM,或者增大栅极电阻RG以减缓IGBT的关断速度,减小重加dUCE/dt值。总之,使用中必须避免发生擎住效应,以确保器件的安全。

2.安全工作区

IGBT开通与关断时,均具有较宽的安全工作区。IGBT开通时对应正向偏置安全工作区(FBSOA),如图1a)所示。它是由避免动态擎住而确定的最大集电极电流ICM、器件内P NP晶体管击穿电压确定的最大允许集射电极电压UCE0、以及最大允许功耗线所框成。值得指出的是,由于饱和导通后集电极电流IC与集射极间电压UCE无关,其大小由栅极电压UG决定(图1-31a)),故可通过控制UG来控制IC,进而避免擎住效应发生,因此还可确定出与最大集电极电流ICM相应的最大栅极电压UGM这个参数。

绝缘栅双极型晶体管擎住效应和安全工作区绝缘栅双极型晶体管擎住效应和安全工作区

a) FBSOA b) RBSOA

图1 IGBT的安全工作区

IGBT关断时所对应的为反向偏置安全工作区(RBSOA),如图1b)所示。它是随着关断时的重加电压上升率dUCE/dt变化,dUCE/dt越大,越易产生动态擎住效应,安全工作区越小。一般可以通过选择适当栅极电压UG和栅极驱动电阻RG来控制dUCE/dt,避免擎住效应,扩大安全工作区。

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