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介绍IGBT工作原理

时间:2013-04-24 21:23:56来源:原创 作者:admin 点击:

IGBT工作原理

方法

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。实现一个较高的击穿电压BVDSS一个源漏通道,而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 宅男天堂网高出。较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的能力,以及IGBT的结构,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。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

导通    <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似,主要差异是IGBT了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT宅男天堂网没有部分)。如等效宅男天堂网(图1),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+ 区创建了一个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,出现一个宅男天堂福利流,并功率 MOSFET的方式产生一股电流。宅男天堂福利流产生的电压在0.7V范围内,那么,J1将处于正向偏压,空穴注入N-区内,并阴阳极的电阻率,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:一个宅男天堂福利流(MOSFET 电流); 空穴电流(双极)。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

关断    <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

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。在下,MOSFET电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则降低,这是换向开始后,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,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。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

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。,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。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

阻断与闩锁    <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

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。因过多地降低层面的厚度,将无法取得一个有效的阻断能力,机制十分重要。另一过大地区域尺寸,就会连续地提高压降。 第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度) PT 器件的压降高的原因。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

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/N J3结受反向电压控制。,仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

IGBT在集电极与发射极有一个寄生PNPN晶闸管,如图1。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的电流量,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,与器件的有密切关系。通常下,静态和动态闩锁有如下主要区别:   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

当晶闸管导通时,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: 防止NPN部分接通,分别改变布局和掺杂级别。 降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。 此外,闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有的影响,,它与结温的关系也非常密切;在结温和增益提高的下,P基区的电阻率会升高,破坏了整体特性。,器件制造商注意将集电极最大电流值与闩锁电流保持的比例,通常比例为1:5。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

工作特性    <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

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。在截止下的IGBT ,正向电压由J2 结承担,反向电压由J1结承担。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,限制了IGBT 的某些应用范围。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性,当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时,IGBT 处于关断。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,其最佳值取为15V左右。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压的关系。IGBT 处于导通态时,它的PNP 晶体管为宽基区晶体管,其B 值极低。尽管等效电路为达林顿《www.dziuu.com》结构,但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。,通态电压Uds(on) 下式表示   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

式中Uj1 —— JI 结的正向电压,其值为0.7 ~1V ;Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降;Roh ——沟道电阻。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

通态电流Ids 下式表示:   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

Ids=(1+Bpnp)Imos   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

式中Imos ——流过MOSFET 的电流。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

N+ 区存在电导调制效应,IGBT 的通态压降小,耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ~ 3V 。IGBT 处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

动态特性    <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

IGBT 在开通过程中,大部分时间是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,又了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间, tri 为电流上升时间。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tfe1 和tfe2 组成。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极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,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IGBT栅极- 发射极阻抗大,故可使用MOSFET驱动宅男天堂网进行触发,不过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。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

IGBT在关断过程中,漏极电流的波形变为两段。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。应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成,而漏极电流的关断时间    <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

t(off)=td(off)+trv十t(f)   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

式中,td(off)与trv之和又称为存储时间。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

IGBT的开关速度低于MOSFET,但明显高于GTR。IGBT在关断时不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。IGBT的开启电压约3~4V,和MOSFET相当。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而降低。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力宅男天堂福利应用宅男天堂网发展的;高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到10KV,目前只能通过IGBT高压串联等宅男天堂网来实现高压应用。国外的厂家如瑞士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器件已经获得应用,日本东芝也已涉足该领域。与此,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、低成本宅男天堂网,主要采用1um以下制作工艺,研制开发取得新进展。   <<提示:容源宅男天堂福利网为广大宅男天堂福利爱好者提供宅男天堂网专题网站“容源宅男天堂网网”,欢迎访问。汇聚大量宅男天堂网与你共同分享。》

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