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rbr,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icm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icm、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duce/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。