IGBT静态特性及参数曲线

IGBT静态特性：根据IGBT的构造及工作原理，其静态特性主要有输出伏安特性、转移特性及静态开关特性。文章来源：http://www.igbt8.com/jc/41.html IGBT伏安特性：IGBT伏安特性也成为输出特性，IGBT的正向输出特性是指在一定的Uge值下，Ic与Uce的关系曲线。是以栅射电压Uge 为参变量时，集电极极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出集电极电流比受栅射电压Uge的控制，Uge越高， Ic 越大。它与GTR 的输出特性相似，也可分为饱和区（有源区） 、放大区和击穿区 三部分，不同之处仅仅是参变量为Uge，而GTR为基极电流Ib。
IGBT的开关切换是通过栅极施加正向电压从而形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极 N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴(少子)，对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
在IGBT的栅极0偏时，器件不出现沟道，则这时的IGBT等效为一个具有阴极短路结构的转折二极管（为p-n-p-n结构）；不管源-漏电压Vce是正、还是负，通过的源-漏电流Ic都最小，一直到发生击穿时电流才急剧增加，如图中的左、右两条击穿曲线（Vce为正时，是p-n-结的击穿；Vce为负时，是p+-n-结的击穿）。
当栅-源电压VGS大于阈值电压时，则出现沟道，并且n+区和n-区通过沟道而连成了一体。这时IGBT将随着正偏源-漏电压Vce的不同，而会出现三种工作模式：
① Vce<0.7V时：
这时整个IGBT可以等效为一个DMOSFET与一个p+-n--n+二极管（即p-i-n二极管）的串联，则器件的总电流（Ic）决定于p-i-n二极管的电流，而且与栅电压无关,有随电压Vce而指数式上升的电流通过。于是，IGBT的电流在图示的输出伏安特性上即表现为起始的一段曲线（存在偏移电压）。
② Vce>0.7V时：
这是IGBT的一般工作状态，这时IGBT可以等效为一个处于导通状态的DMOSFET与一个处于放大状态的寄生p+-n--p双极型晶体管的组合。这时，IGBT的总电流（Ic）比DMOSFET的电流（Imos）增大了β倍，当然，IGBT的输出伏安特性曲线的形状也就必然与DMOSFET的相同，如图中的水平曲线族所示。并且这也就说明，与相同尺寸的功率MOSFET相比，IGBT的输出电流和跨导都增大了一倍。同时，通过BJT发射极的少数载流子电流与通过DMOSFET的多数载流子电流在大小上差不多。
③ Ic很大时：
当IGBT的输出电流大于某个临界值时，其中的n+-p-n--p+晶闸管将起作用。这时的伏安特性如图中的一条低压、大电流曲线所示。当然，在晶闸管导通以后，整个IGBT的导通电阻将变得很低；但是这种工作状态并不是人们所希望的，因为这时晶闸管的导通也就使它进入锁定状态——闩锁效应，当IGBT一旦进入到这种状态后，其栅极就失去了控制能力，即栅极电压再也不能关断源-漏电流了。而栅极的控制作用正是IGBT优越于SCR之处。所以，为了让IGBT不容易进入闩锁状态，以提高工作电流，可以适当地降低其中寄生BJT的电流放大系数；在图中示出的器件都采用了阴极短路结构，其目的也就在于降低寄生n+-p-n-晶体管的电流放大系数。
总而言之，IGBT的输出特性曲线示出了器件在不同工作状态的特性，这种复杂的图形可以认为是由MOSFET的输出特性曲线与n-p-n-p晶闸管的正向阻断特性曲线重叠起来构成的。下图是IGBT的典型输出伏安特性曲线。 IGBT 转移特性：IGBT转移特性是指输出集电极电流Ic 与栅射电压Uge 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，开启电压Uge(th)是IGBT导通的最低栅极电压。当栅射电压小于开启电压Uge(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分集电极电流范围内， Ic 与Uge呈线性关系。最高栅射电压受最大集电极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。在IGBT变流器中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区来回切换。
IGBT饱和压降：IGBT的通态饱和压降Uge(sat)是结温Tj、集电极电流Ic和栅射极电压Uge的函数。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。Uge的增加会加大沟道的电导，从而降低Uce(sat)，一般选Uge≥+15V。Uce(sat)也随着集电极电流Ic的增加而增加。在Ic较小时，Uce(sat)随着结温升高而降低，即具有负温度系数，一旦Ic超过某个值，变成正温度系数，Uce(sat)的正温度系数有利于IGBT的并联。 IGBT 静态开关特性：IGBT的理想静态开关特性，包括开通过程和关断过程两个方面。IGBT 静态开关特性是指集电极电流与集射电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示