淺談IGBT工作狀態以及安全工作區

關鍵字 :IGBTmosfet

IGBT工作狀態分為三個部分:

 1、截止區:CE間電壓小於一個門檻電壓,即背面PN節的開啟電壓時,IGBT背面PN結截止,無電流流動

 2、飽和區:CE間電壓大於門檻電壓後,電流開始流動,CE間電壓隨著集電極電流上升而線性上升,這個區域稱為飽和區。因為IGBT飽和電壓較低,因此我們希望IGBT工作在飽和區域。

 3、線性區:隨著CE間電壓繼續上升,電流進一步增大。到一定臨界點後,CE電壓迅速增大,而集電極電流並不隨之增長。這時我們稱IGBT退出了飽和區。在這個區間內,IGBT損耗增加,發熱嚴重,是需要避免的工作狀態。

為什麼IGBT會發生退飽和現象?

這要從IGBT的平面結構說起。IGBT和MOSFET有類似的器件結構,MOS中的漏極D相當於IGBT的集電極C,而MOS的源極S相當於IGBT的發射極E,二者都會發生退飽和現象。下圖所示是一個簡化平面型IGBT剖面圖,以此來闡述退飽和發生的原因。柵極施加一個大於閾值的正壓VGE,則柵極氧化層下方會出現強反型層,形成導電溝道。這時如果給集電極C施加正壓VCE,則發射極中的電子便會在電場的作用下源源不斷地從發射極E流向集電極C,而集電極中的空穴則會從集電極C流向發射極E,這樣電流便形成了。這時電流隨CE電壓的增長而線性增長,器件工作在飽和區。當CE電壓進一步增大,MOS溝道末的電勢隨著VCE而增長,使得柵極和矽表面的電壓差很小,進而不能維持矽表面的強反型,這時溝道出現夾斷現象,電流不再隨CE電壓的增加而成比例增長。我們稱器件退出了飽和區。

IGBT的安全工作區只占整個輸出特性曲線的很小一部分,多數器件標稱的安全工作區電流在2~4倍額定電流之間,如下圖綠色區域所示。在這個區域器件經過100%的出廠測試,可以進行連續開關操作。當然,在安全工作區里也並不意味著能隨心所欲為所欲為,你需要保證連續工作時IGBT結溫不超最大限制,你需要保證關斷時電壓尖峰不超額定電壓,你還需要保證選擇的門極電阻不能太小,以免引起震盪,也不能太大,以免增加損耗,以及其它等等注意事項。



如果器件的電流在超過了安全工作區所定義的電流,即使它仍然處於飽和狀態,即上圖中的紅色區域,這時關斷器件仍然是有風險的!是器件禁止進入的工作狀態。此時,必須使器件電路降回到安全工作區電流,或者使器件退飽和,即進入上圖所示黃色區域的短路工作區,在特定的短路時間內,才可以安全關斷。

那麼如果器件一直工作在飽和區,雖然電流超過了安全工作區,但是仍低於短路電流,比如落在圖3中的紫色區域中,這時候能不能安全關斷呢?答案依然是否定的。只要器件電流超出了安全工作區,但又沒有進入短路安全工作區,就請不要關斷!不要關斷!不要關斷!

在實際應用中,退飽和現象一般發生在器件短路時,但是退飽和區只能有一小部分作為短路安全工作區。這時CE電壓上升到母線電壓,電流一般是額定電流的4~8倍(見各器件規格書),功率異常增大,結溫急劇上升,不及時關斷器件就有可能燒毀器件。多數IGBT有一定的短路承受時間,一般在10us之內,具體參見各產品規格書。

從器件輸出曲線可以看出,隨著門極電壓的上升,短路電流也急劇上升,因此規格書承諾的短路能力一般都建立在特定的門極電壓基礎上,一般是15V。因此圖3所示的短路安全工作區門極電壓限制在15V以下。

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