電磁加熱控制器核心器件IGBT的原理

上一篇：中藥炒藥機使用電磁感應加熱系統

下一篇：芯科技術電磁加熱器使用什么牌子的溫控儀以及特點

電磁加熱控制器IGBT

IGBT  IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，絕緣柵極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復

合全控型電壓驅動式電力電子器件。應用于交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。  IGBT是強電流、高壓

應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由于實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具

有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特征，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新

一代功率MOSFET器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT技術高出很多。較低的壓降，

轉換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅動器的原理

圖。IGBT基本結構見圖1中的縱剖面圖及等效電路。

  導通  IGBT硅片的結構與功率MOSFET的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+基片和一個N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技

術沒有增加這個部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件?；膽迷诠荏w的P+和N+區之間創

建了一個J1結。  當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式

產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0.7V范圍內，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區內，并調整陰陽極之間

的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電

流拓撲：一個電子流(MOSFET電流)；空穴電流(雙極)。

  關斷  當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在任何情況下，如果MOSFET電流在

開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是

因為換向開始后，在N層內還存在少數的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又

與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下

問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。  鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電

流值應與芯片的溫度、IC和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關系。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計

上的電流的不理想效應是可行的，尾流特性與VCE、IC和TC之間的關系如圖2所示。

  反向阻斷  當集電極被施加一個反向電壓時，J1就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低這個層面的厚

度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區域尺寸，就會連續地提高

壓降。  第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效(IC和速度相同)PT器件的壓降高的原因。正向阻斷當柵極和發射極短接并在

集電極端子施加一個正電壓時，P/NJ3結受反向電壓控制。此時，仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。 閂鎖      

IGBT在集電極與發射極之間有一個寄生PNPN晶閘管，如圖1所示。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極

與發射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為IGBT閂鎖，

具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態有密切關系。通常情況下，靜態和動態閂鎖有如下主要區別：  當晶閘管全

部導通時，靜態閂鎖出現。  只在關斷時才會出現動態閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區。為防止寄生NPN和PNP晶

體管的有害現象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別。  降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。 

此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結溫的關系也非常密切；在結溫和增益提高的情況下，

P基區的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通

常比例為1：5。

  正向導通特性  在通態中，IGBT可以按照“第一近似”和功率MOSFET驅動的PNP晶體管建模。圖3所示是理解器件在工作時的物

理特性所需的結構元件(寄生元件不考慮在內)。   如圖所示，IC是VCE的一個函數(靜態特性)，假如陰極和陽極之間的壓降不超

過0.7V，即使柵信號讓MOSFET溝道形成(如圖所示)，集電極電流IC也無法流通。當溝道上的電壓大于VGE-Vth時，電流處于飽

和狀態，輸出電阻無限大。  由于IGBT結構中含有一個雙極MOSFET和一個功率MOSFET，因此，它的溫度特性取決于在屬性上

具有對比性的兩個器件的凈效率。功率MOSFET的溫度系數是正的，而雙極的溫度系數則是負的。本圖描述了VCE(sat)作為一個

集電極電流的函數在不同結溫時的變化情況。當必須并聯兩個以上的設備時，這個問題變得十分重要，而且只能按照對應某一電

流率的VCE(sat)選擇一個并聯設備來解決問題。有時候，用一個NPT進行簡易并聯的效果是很好的，但是與一個電平和速度相同

的PT器件相比，使用NPT會造成壓降增加。動態特性動態特性是指IGBT在開關期間的特性。  鑒于IGBT的等效電路，要控制這個

器件，必須驅動MOSFET元件。這就是說，IGBT的驅動系統實際上應與MOSFET的相同，而且復雜程度低于雙極驅動系統。如前

文所述，當通過柵極提供柵正偏壓時，在MOSFET部分形成一個N溝道。如果這一電子流產生的電壓處于0.7V范圍內，P+/N-則處

于正向偏壓控制，少數載流子注入N區，形成一個空穴雙極流。導通時間是驅動電路的輸出陰抗和施加的柵極電壓的一個函數。

通過改變柵電阻Rg(圖4)值來控制器件的速度是可行的，通過這種方式，輸出寄生電容Cge和Cgc可實現不同的電荷速率。換句話

說，通過改變Rg值，可以改變與Rg(Cge+C**)值相等的

寄生凈值的時間常量(如圖4所示)，然后，改變*V/dti。數據表中常用的驅動電壓是15V。一個電感負載的開關波形見圖5，di/dt

是Rg的一個函數，如圖6所示，柵電阻對IGBT的導通速率的影響是很明顯的。因為Rg數值變化也會影響dv/dt斜率，因此，Rg值

對功耗的影響很大。  在關斷時，再次出現了我們曾在具有功率MOSFET和BJT器件雙重特性的等效模型中討論過的特性。當發送

到柵極的信號降低到密勒效應初始值時，VCE開始升高。如前文所述，根據驅動器的情況，VCE達到最大電平而且受到Cge和Cgc

的密勒效應影響后，電流不會立即歸零，相反會出現一個典型的尾狀，其長度取決于少數載流子的壽命。在IGBT處于正偏壓期間

，這些電荷被注入到N區，這是IGBT與MOSFET開關對比最不利特性之主要原因。降低這種有害現象有多種方式。例如，可以降

低導通期間從P+基片注入的空穴數量的百分比，同時，通過提高摻雜質水平和緩沖層厚度，來提高重組速度。由于VCE(sat)增高

和潛在的閂鎖問題，這種排除空穴的做法會降低電流的處理能力。安全運行區SOA按電流和電壓劃分，一個IGBT的安全運行區可

以分為三個主要區域，如下表所示：這三個區域在圖8中很容易識別。  通常每一張數據表都提供了正向導通(正向偏置安全運行

區FBSOA)、反向(反向偏置安全運行區RBSOA)和短路(短路安全運行SCSOA)時描述強度的曲線。詳細內容： 

FBSOA  這部分安全運行區是指電子和空穴電流在導通瞬態時流過的區域。在IC處于飽和狀態時，IGBT所能承受的最大電壓是器

件的物理極限，如圖8所示。 

RBSOA  這個區域表示柵偏壓為零或負值但因空穴電流沒有消失而IC依然存在時的關斷瞬態。如前文所述，如果電流增加過多，

寄生晶體管會引發閂鎖現象。當閂鎖發生時，柵極將無法控制這個器件。最新版的IGBT沒有這種類型的特性，因為設計人員改

進了IGBT的結構及工藝，寄生SCR的觸發電流較正常工作承受的觸發電流(典型Ilatch>5IC正常)高出很多。關于閉鎖電流分別作

為結溫和柵電阻的一個函數的變化情況，見圖9和10。 

      SCSOA是在電源電壓條件下接通器件后所測得的驅動電路控制被測試器件的時間最大值。圖11所示是三個具有等效特性但

采用不同技術制造的器件的波形及關斷時間。 最大工作頻率  開關頻率是用戶選擇適合的IGBT時需考慮的一個重要的參數，所

有的硅片制造商都為不同的開關頻率專門制造了不同的產品。  特別是在電流流通并主要與VCE(sat)相關時，把導通損耗定義成

功率損耗是可行的。 這三者之間的表達式：Pcond=VCE*IC，其中，是負載系數。  開關損耗與IGBT的換向有關系；但是，主

要與工作時的總能量消耗Ets相關，并與終端設備的頻率的關系更加緊密。  Psw=Ets  總損耗是兩部分損耗之和： Ptot=Pcond

+Psw  在這一點上，總功耗顯然與Ets和VCE(sat)兩個主要參數有內在的聯系。這些變量之間適度的平衡關系，與IGBT技術密切

相關，并為客戶最大限度降低終端設備的綜合散熱提供了選擇的機會。因此，為最大限度地降低功耗，根據終端設備的頻率，

以及與特殊應用有內在聯系的電平特性，用戶應選擇不同的器件。  IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，絕緣柵雙極型功率

管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式電力電子器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗

和GTR的低導通壓降兩方面的優點。  GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但

導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以

上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

上一篇：中藥炒藥機使用電磁感應加熱系統

下一篇：芯科技術電磁加熱器使用什么牌子的溫控儀以及特點