绝缘栅双极型晶体管擎住效应和安全工作区

1．擎住效应

如前所述，在IGBT管内存在一个由两个晶体管构成的寄生晶闸管，同时P基区内存在一个体区电阻R_{br，跨接在N^{+PN晶体管的基极与发射极之间，P基区的横向空穴电流会在其上产生压降，在J3结上形成一个正向偏置电压。若IGBT的集电极电流IC大到一定程度，这个Rbr上的电压足以使N+PN晶体管开通，经过连锁反应，可使寄生晶闸管导通，从而IGBT栅极对器件失去控制，这就是所谓的擎住效应。它将使IGBT集电极电流增大，产生过高功耗导致器件损坏。}}

擎住现象有静态与动态之分。静态擎住指通态集电极电流大于某临界值I_{CM后产生的擎住现象，对此规定有IGBT最大集电极电流ICM的限制。动态擎住现象是指关断过程中产生的擎住现象。IGBT关断时，MOSFET结构部分关断速度很快，J2结的反压迅速建立，反压建立速度与IGBT所受重加dUCE/dt大小有关。dUCE/dt越大，J2结反压建立越快，关断越迅速，但在J2结上引起的位移电流CJ2·（dUCE/dt）也越大。此位移电流流过体区电阻Rbr时可产生足以使N^{+PN管导通的正向偏置电压，使寄生晶闸管开通，即发生动态擎住现象。由于动态擎住时所允许的集电极电流比静态擎住时小，故器件的ICM应按动态擎住所允许的数值来决定。为了避免发生擎住现象，使用中应保证集电极电流不超过ICM，或者增大栅极电阻RG以减缓IGBT的关断速度，减小重加dUCE/dt值。总之，使用中必须避免发生擎住效应，以确保器件的安全。}}

2．安全工作区

IGBT开通与关断时，均具有较宽的安全工作区。IGBT开通时对应正向偏置安全工作区（FBSOA），如图1a）所示。它是由避免动态擎住而确定的最大集电极电流I_{CM、器件内P^{+NP晶体管击穿电压确定的最大允许集射电极电压UCE0、以及最大允许功耗线所框成。值得指出的是，由于饱和导通后集电极电流IC与集射极间电压UCE无关，其大小由栅极电压UG决定（图1-31a）），故可通过控制UG来控制IC，进而避免擎住效应发生，因此还可确定出与最大集电极电流ICM相应的最大栅极电压UGM这个参数。}}

a） FBSOA                                                                  b） RBSOA                                                                 

图1 IGBT的安全工作区

IGBT关断时所对应的为反向偏置安全工作区（RBSOA），如图1b）所示。它是随着关断时的重加电压上升率dU_{CE/dt变化，dUCE/dt越大，越易产生动态擎住效应，安全工作区越小。一般可以通过选择适当栅极电压UG和栅极驱动电阻RG来控制dUCE/dt，避免擎住效应，扩大安全工作区。}

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1．擎住效应

如前所述，在IGBT管内存在一个由两个晶体管构成的寄生晶闸管，同时P基区内存在一个体区电阻R_{br，跨接在N^{+PN晶体管的基极与发射极之间，P基区的横向空穴电流会在其上产生压降，在J3结上形成一个正向偏置电压。若IGBT的集电极电流IC大到一定程度，这个Rbr上的电压足以使N+PN晶体管开通，经过连锁反应，可使寄生晶闸管导通，从而IGBT栅极对器件失去控制，这就是所谓的擎住效应。它将使IGBT集电极电流增大，产生过高功耗导致器件损坏。}}

擎住现象有静态与动态之分。静态擎住指通态集电极电流大于某临界值I_{CM后产生的擎住现象，对此规定有IGBT最大集电极电流ICM的限制。动态擎住现象是指关断过程中产生的擎住现象。IGBT关断时，MOSFET结构部分关断速度很快，J2结的反压迅速建立，反压建立速度与IGBT所受重加dUCE/dt大小有关。dUCE/dt越大，J2结反压建立越快，关断越迅速，但在J2结上引起的位移电流CJ2·（dUCE/dt）也越大。此位移电流流过体区电阻Rbr时可产生足以使N^{+PN管导通的正向偏置电压，使寄生晶闸管开通，即发生动态擎住现象。由于动态擎住时所允许的集电极电流比静态擎住时小，故器件的ICM应按动态擎住所允许的数值来决定。为了避免发生擎住现象，使用中应保证集电极电流不超过ICM，或者增大栅极电阻RG以减缓IGBT的关断速度，减小重加dUCE/dt值。总之，使用中必须避免发生擎住效应，以确保器件的安全。}}

2．安全工作区

IGBT开通与关断时，均具有较宽的安全工作区。IGBT开通时对应正向偏置安全工作区（FBSOA），如图1a）所示。它是由避免动态擎住而确定的最大集电极电流I_{CM、器件内P^{+NP晶体管击穿电压确定的最大允许集射电极电压UCE0、以及最大允许功耗线所框成。值得指出的是，由于饱和导通后集电极电流IC与集射极间电压UCE无关，其大小由栅极电压UG决定（图1-31a）），故可通过控制UG来控制IC，进而避免擎住效应发生，因此还可确定出与最大集电极电流ICM相应的最大栅极电压UGM这个参数。}}

a） FBSOA                                                                  b） RBSOA                                                                 

图1 IGBT的安全工作区

IGBT关断时所对应的为反向偏置安全工作区（RBSOA），如图1b）所示。它是随着关断时的重加电压上升率dU_{CE/dt变化，dUCE/dt越大，越易产生动态擎住效应，安全工作区越小。一般可以通过选择适当栅极电压UG和栅极驱动电阻RG来控制dUCE/dt，避免擎住效应，扩大安全工作区。}