IGBT的锁定效应和安全工作区

1.锁定效应
IGBT为四层结构,体内存在一个寄生晶体管,其等效电路如图1所示。在V2的基极与发射极之间并有一个扩展电阻Rb,在此电阻上,P型体区的横向空穴会产生一定压降,对J3结来说,相当于一个正偏电流范围内,这个正偏置电压不大,对V2不起作用,当Id大到一定程度时,该正偏置电压足以使V2开通,进而使V2和V3处于饱和状态,于是寄生晶体管开通,栅极失去对集电极电流的控制作用,这就是所谓的IGBT的静态锁定效应,IGBT发生锁定效应后,漏极电流增大,造成过高功耗,导致损坏。可见,漏极电流有一个临界值Idm,当Id> Idm时便会产生锁定效应。
具有寄生晶体管的IGBT等效电路在IGBT 关断的动态过程中,假若dvds/dt过高,那么在J2结中引起的位移电流会增大,当该电流流过体区扩展电阻Rb时,也可产生足以使晶体管V2开通的正向偏置电压,满足寄生晶体管开通锁定的条件,形成动态锁定效应。为此,在应用中必须防止IGBT发生锁定效应,为此可限制Idm值,或用加大栅极电阻RG的办法延长IGBT关断时间,以减少dvds/dt值。值得指出的是,动态锁定效应允许的漏极电流比静态锁定所允许的要小,IGBT 器件提供的Id值是按动态锁定效应所允许的最大漏极电流来确定的。锁定效应曾限制 IGBT 电流容量提高,这个问题在20世纪90 年代中后期开始逐渐解决,即将IGBT与反并联的快速二极管封装在一起,制成模块,成为逆导器件。
2.安全工作区
安全工作区(SOA)反映了一个功率器件同时承受一定电压和电流的能力。IGBT的安全工作区可以分为三个主要区域:
1)正向导通[正向偏置安全工作区( FBSOA)]。这部分安全工作区是指电子和空穴电流在导通瞬态时流过的区域。在lc处于饱和状态时,IGBT所能承受的最大电压是器件的物理极限。IGBT开通时的正向偏置安全工作区由 电流、电压和功耗三条边界极限包围而成(最大集电极电流、最大集电极—发射极间电压和最大集电极功耗)。最大集电极电流ICmax是根据避免动态锁定效应而设定的,最大集电极—发射极电压VCEmax是由IGBT中晶体管V2的击穿电压所确定,最大功耗则是由最高允许结温所决定。导通时间越长,发热越严重,安全工作区则越窄。
2)反向偏置安全工作区(Reverse Bias Safe Operation Area,RBSOA) 由反向最大集电极电流、最大集电极—发射极间电压和最大允许电压上升率dvCE/dt 确定,这个区域表示栅偏压为零或负值但因空穴电流没有消失,丽;存在时的关断瞬态。IGBT的反向偏置安全工作区如图2b所示,它随IGBT 关断时的dvCE/dt而改变,dvCE/dt越高,RBSOA越窄。
3)短路安全工作区(短路安全运行Short CircUit Safe Operation Area,SCSOA)。SCSOA是在电源电压条件下接通器件后,所测得的驱动电路控制被测试器件的时间最大值。
在设计缓冲电路时要保证使关断时VCE – IC的工作轨迹全部容纳在该RBSOA区域内。由于SCSOA区在集电极电流变大时有变窄的倾向,在应用设计中需要加以注意。

相关内容