绝缘栅双极型晶体管擎住效应和安全工作区

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R_br，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I_C大到一定程度，这个R_br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I_CM后产生的擎住现象，对此规定有IGBT最大集电极电流I_CM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dU_CE/dt大小有关。dU_CE/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C_J2·（dU_CE/dt）也越大。此位移电流流过体区电阻R_br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I_CM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I_CM，或者增大栅极电阻R_G以减缓IGBT的关断速度，减小重加dU_CE/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I_CM、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U_CE0、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I_C与集射极间电压U_CE无关，其大小由栅极电压U_G决定（图1-31a）），故可通过控制U_G来控制I_C，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I_CM相应的最大栅极电压U_GM这个参数。

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dU_CE/dt变化，dU_CE/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U_G和栅极驱动电阻R_G来控制dU_CE/dt，避免擎住效应，扩大安全工作区。