IGBT锁定效应及安全工作区分析

1.锁定效应

IGBT为四层结构，体内存在一个寄生晶体管，其等效电路如图2-25所示。在V2的基极与发射极之间并有一个扩展电阻R_b，在此电阻上，P型体区的横向空穴会产生一定压降，对J₃结来说，相当于一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏置电压不大，对V2不起作用，当I_d大到一定程度时，该正偏置电压足以使V2开通，进而使V2和V3处于饱和状态，于是寄生晶体管开通，栅极失去对集电极电流的控制作用，这就是所谓的IGBT的静态锁定效应，IGBT发生锁定效应后，漏极电流增大，造成过高功耗，导致损坏。可见，漏极电流有一个临界值I_dm，当I_d＞I_dm时便会产生锁定效应。

图2-25 具有寄生晶体管的IGBT等效电路

在IGBT关断的动态过程中，假若dv_ds/dt过高，那么在J₂结中引起的位移电流会增大，当该电流流过体区扩展电阻R_b时，也可产生足以使晶体管V2开通的正向偏置电压，满足寄生晶体管开通锁定的条件，形成动态锁定效应。为此，在应用中必须防止IGBT发生锁定效应，为此可限制I_dm值，或用加大栅极电阻R_G的办法延长IGBT关断时间，以减少dv_ds/dt值。值得指出的是，动态锁定效应允许的漏极电流比静态锁定所允许的要小，IGBT器件提供的I_d值是按动态锁定效应所允许的最大漏极电流来确定的。锁定效应曾限制IGBT电流容量提高，这个问题在20世纪90年代中后期开始逐渐解决，即将IGBT与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。

2.安全工作区

安全工作区（SOA）反映了一个功率器件同时承受一定电压和电流的能力。IGBT的安全工作区可以分为三个主要区域：

1）正向导通[正向偏置安全工作区（FBSOA）]。这部分安全工作区是指电子和空穴电流在导通瞬态时流过的区域。在I_C处于饱和状态时，IGBT所能承受的最大电压是器件的物理极限。IGBT开通时的正向偏置安全工作区由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成（最大集电极电流、最大集电极-发射极间电压和最大集电极功耗）。最大集电极电流I_Cmax是根据避免动态锁定效应而设定的，最大集电极-发射极电压V_CEmax是由IGBT中晶体管V2的击穿电压所确定，最大功耗则是由最高允许结温所决定。导通时间越长，发热越严重，安全工作区则越窄，如图2-26a所示。(www.xing528.com)

图2-26 IGBT的安全工作区

a）IGBT正向偏置 b）IGBT的反向偏置

2）反向偏置安全工作区（Reverse Bias Safe Operation Area，RBSOA）由反向最大集电极电流、最大集电极-发射极间电压和最大允许电压上升率dv_CE/dt确定，这个区域表示栅偏压为零或负值但因空穴电流没有消失，而I_C依然存在时的关断瞬态。IGBT的反向偏置安全工作区如图2-26b所示，它随IGBT关断时的dv_CE/dt而改变，dv_CE/dt越高，RBSOA越窄。

3）短路安全工作区（短路安全运行Short Circuit Safe Operation Area，SCSOA）。SCSOA是在电源电压条件下接通器件后，所测得的驱动电路控制被测试器件的时间最大值。

在设计缓冲电路时要保证使关断时V_CE-I_C的工作轨迹全部容纳在该RBSOA区域内。由于SCSOA区在集电极电流变大时有变窄的倾向，在应用设计中需要加以注意。