IGBT的工作原理和退饱和

1、IGBT测试仪IGBT的工作原理和退饱和 1.1 IGBT 和 MOSFET结构比较 为了理解IGBT进入退饱和的过程机理，我们有必要简单比较下MOSFET和IGBT结构上的区别： 简单来看，IGBT在MOSFET的基本结构上增加了一个P+层提供空穴载流子，这样可以和漏极N+区域的电子在基区N-进行电导调制，从而降低IGBT在大电流条件下的导通压降。IGBT通过其FET结构控制在基区的载流子（电子和空穴），从而控制IGBT的导通和关断。

 1.2 IGBT 和 MOSFET 在对饱和区的定义差别 这里有一个概念需要稍稍澄清下，MOSFET和IGBT关于“饱和区”的定义有一定的差异，其实也可以认为是单载流子器件和双载流子器件的差异。 如图1-3， MOSFET的区域定义：①正向阻断区（也称为截止区，夹断区）；②恒流区（也称饱和区、有源区、线性放大区）；③欧姆区（也称为可变电阻区、非饱和区）；④雪崩击穿区；⑤反向导通区 如图1-4， IGBT的区域定义：①正向阻断区（截止区）；②有源区（线性放大区）；③饱和区；④雪崩击穿区；⑤反向阻断区 对于饱和区的定义，两种器件的有一定的差异，主要是由于两种器件的载流子类型和导电方式的不同。MOSFET作为单载流子器件，参与导电的为电子；IGBT电子和空穴都参与了导电，分为电子电流和空穴电流。 MOSFET 在区域

③，电流沟道完全导通，电流受外围电路控制，未能到达饱和状态；随着电流的增加，VDS电压也增加，VDS>VGE-VGE(th)，沟道被“预夹断”，MOSFET进入区域②，源极N+无法提供更多的电子，IDS电流电流达到饱和状态。 IGBT 饱和区的定义和BJT类似，在区域③，ICE电流不受门级信号的控制（类似于BJT集电极电流不受基极电流控制），由外围电路阻抗决定；随着电流的增加，进入区域②以后，IGBT的门级能够控制去N-区域复合的电子，从而控制ICE电流，称为线性区。 从特性曲线上看，在一定的门级电压条件下，ICE电流上升到一定大小，出现了明显的“拐点”，该拐点即是IGBT的退饱和点；在拐点左侧IGBT进入“饱和区”，在拐点右侧IGBT进入“线性区”，IGBT由饱和区进入线性区，我们称为“退饱和”。 

1.3 IGBT 退饱和过程和保护  退饱和的半导体机理可以简单等效为MOSFET部分的门级的“预夹断”。如图1-5所示，随着电流的增加，MOSFET的导电沟道关闭，导电通道阻抗迅速增加，IGBT进入退饱和，VCE电压迅速增加。 这里需要注意的是，“预夹断”并不等同于沟道关闭。在预夹断之前，沟道内的载流子不受门级的控制，外围电路对集电极电流ICE起到控制作用。当门极电压Vge≥Vge(th)，且Vce>Vge-Vge(th)时，进入退饱和区域以后，此时流入到N-基区的电子电流In受到门极电压的控制，进而限制了IGBT内部PNP晶体管的基极电流，最终空穴电流Ip也受到限制，因此该区域的IGBT集电极电流Ic会进入“线性区”。 进入“线性区”后，IGBT的Vce电压迅速上升，利用该特性，可以设计退饱和检测电路。如图1-6所示，当VCE电压迅速升高二极管Ddesat截止，DESAT电压被充电到阈值电压，从而触发驱动芯片对IGBT进行关断。