IGBT稳态输出特性及其工作原理

1、结构

2、稳态输出特性

（1）VGE=3V

（2）VGE=15V

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工作原理:

IGBT是双极型三极管和MOS管结合在一起的产物，双极型三极管具有低频（10KHz以下）大电流能力，MOSFET具有高频（100KHz以上）小电流特点。IGBT兼有两种器件的优点，电压控制驱动，通流能力强，频率最高可使用到100KHz，是中频段理想的功率器件。

开通过程简述：

a)阶段1(0—t1)：在此阶段，栅极电流开始对栅电容CGE充电，但是VGE

b)阶段2(tl—t2)：在t1时刻，VGE>Vth，沟道开启，电子开始通过沟道注入到基区，同时背面的集电极开始向基区内注入空穴，集电极开始产生电流IC，此时IC

c)阶段3(t2—t3)：在t2时刻，IC=IL，流过续流二极管的电流降低至0，二极管内部载流子开始复合。

d)阶段4(t3—t4)：续流二极管内部载流子已经完成复合，续流二极管两端电压开始上升，这导致IGBT两端的电压下降和栅极集电极电容CGC放电。此时IGBT电流Ic形成过冲，过冲的大小与CGC大小有密切关系，CGC越大，IC过冲越大。

e)阶段5(t4—t5)：在t4时刻，VGE将调整以适应IC的过冲，在t5时刻，二极管反向恢复完成，VGE将会略微下降，使IGBT可以承受负载电流IL。在此阶段，栅极发射极电压VGE保持恒定，栅极电流流入至栅极集电极电容CGC，集电极发射极两端电压随着CGC放电而下降。

f)阶段6(t6—t7)：在t6时刻，VCE下降到使IGBT进入饱和状态，栅极反射极电压增加以维持IL，当VCE衰减稳定后，稳定值即为饱和导通压降VCE(sat)，到此开通过程完全结束。

关断过程简述：

a)阶段1(0—t1)，在t=0时刻，开关S动作，lGBT开始关断，栅极通过RG开始放电，VGE下降。这导致通过沟道注入到基区的电子数量变少，但是由于感性负载的存在，通过抽取N基区中多余的电子和空穴来抑制IC的减小。

b)阶段2(tl—t3)在t1时刻，基区内剩余电荷降为0，耗尽区开始形成。在VCE较小时，栅压维持在VGP(VGP的大小与栅极电阻RG成正比)，当VCE超过一定限度时，栅压开始下降。

c)阶段3(t3—t6)在t3时刻，VCE达到电路外加电压VDC，耗尽区不再展宽，此时集电极电路IC迅速下降，由于IC的下降在负载电感上感生一个负电压，此时VCE过冲到最大值，感生电压使续流回路导通，负载电流转移到续流回路。IGBT关断完成。

在IGBT开关过程中通常用开通延迟td(on)、关断延迟td(off)、上升时间tr和下降时间tf来进行描述。图6是IGBT整个开关过程的波形。

在实际IGBT应用中，开通阶段损耗较小，而且难以优化，td(on)与tr在设计上一般不作为首要考虑因素。而td(ff)大小除受器件影响外，主要与外电路中的栅极电阻RG关系密切。因此在IGBT设计中tf就成为首要的设计对象，这因为第一，tf的大小直接关系到器件的关断损耗，而器件的关断损耗在器件的开关损耗中占主要地位：第二，tf受器件的结构以及工艺条件影响巨大。正因为如此，通常用tf的高低来衡量IGBT器件动态性能的优劣。