IGBT轉(zhuǎn)移特性曲線、過電壓損壞和靜電損壞分析
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一、IGBT轉(zhuǎn)移特性曲線分析
IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線是指輸出集電極電流IC與柵極-發(fā)射極電壓VGE之間的關(guān)系曲線。
為了便于理解,這里我們可通過分析MOSFET來理解IGBT的轉(zhuǎn)移特性。
當(dāng)VGS=0V時,源極S和漏極D之間相當(dāng)于存在兩個背靠背的pn結(jié),因此不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什么極性的電壓,總有一個pn結(jié)處于反偏狀態(tài),漏、源極間沒有導(dǎo)電溝道,器件無法導(dǎo)通,漏極電流ID為N+PN+管的漏電流,接近于0。
當(dāng)0<vgs<vgs(th)時< span="" style="margin: 0px; padding: 0px;">,柵極電壓增加,柵極G和襯底p間的絕緣層中產(chǎn)生電場,使得少量電子聚集在柵氧下表面,但由于數(shù)量有限,溝道電阻仍然很大,無法形成有效溝道,漏極電流ID仍然約為0。
當(dāng)VGS≥VGS(th)時,柵極G和襯底p間電場增強,可吸引更多的電子,使得襯底P區(qū)反型,溝道形成,漏極和源極之間電阻大大降低。此時,如果漏源之間施加一偏置電壓,MOSFET會進入導(dǎo)通狀態(tài)。在大部分漏極電流范圍內(nèi)ID與VGS成線性關(guān)系,如下圖所示。
這里MOSFET的柵源電壓VGS類似于IGBT的柵射電壓VGE,漏極電流ID類似于IGBT的集電極電流IC。IGBT中,當(dāng)VGE≥VGE(th)時,IGBT表面形成溝道,器件導(dǎo)通。
二、IGBT模塊過電壓損壞和靜電損壞分析
IGBT在關(guān)斷時,由于逆變電路中存在電感成分,關(guān)斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓,如果尖峰電壓超過IGBT器件的最高峰值電壓,將造成IGBT擊穿損壞。IGBT過 電壓損壞可分為集電極柵極過電壓、柵極-發(fā)射極過電壓、高du/dt過壓電等。大多數(shù)過電壓保護的電路設(shè)計都比較完善,但是對于由高du/dt所導(dǎo)致的過電壓故障,基本上都是采用無感電容或者RCD結(jié)構(gòu)吸收電路。由于吸收電路設(shè)計的吸收容量不夠而造成IGBT損壞,對此可采用電壓鉗位,往往在集電極-柵極兩端并接齊納二極管,采用柵極電壓動態(tài)控制,當(dāng)集電極電壓瞬間超過齊納二極管的鉗位電壓時,超出的電壓將疊加在柵極上(米勒效應(yīng)起作用),避免了IGBT因受集電極發(fā)射極過電壓而損壞。
采用柵極電壓動態(tài)控制可以解決過高的du/dt帶來的集電極發(fā)射極瞬間過電壓問題,但是它的弊端是當(dāng)IGBT處于感性負載運行時,半橋結(jié)構(gòu)中處于關(guān)斷的IGBT,由于其反并聯(lián)二極管(續(xù)流二極管)的恢復(fù),其集電極發(fā)射極兩端的電壓急劇上升,從而承受瞬間很高的du/dt。多數(shù)情況下,該du/dt值要比IGBT正常關(guān)斷時的集電極發(fā)射極電壓上升率高,由于米勒電容( Cres)的存在,該du/dt值將 在集電極和柵極之間產(chǎn)生一個 瞬間電流,流向柵極驅(qū)動電路。該電流與柵極電路的阻抗相互作用,直接導(dǎo)致柵極-發(fā)射極電壓UGE值的升高,甚至超過IGBT的開通門限電壓VGEth值。出現(xiàn)惡劣的情況就是使IGBT被誤觸發(fā)導(dǎo)通,導(dǎo)致變換器的橋臂短路。
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