IGBT

Выходные характеристики IGBT показаны на рис 1.10.

Рис. 1.10
а) выходная характеристика IGBT (n-канальных обогащенных)
b) переходная характеристика I_С = f (V_GE)

Закрытое состояние при прямом напряжении

По аналогии с MOSFET, ток отсечки коллектор-эмиттер I_CES между коллектором и эмиттером очень мал, если напряжение коллектор-эмиттер V_CE положительное и напряжение затвор-эмиттер V_GE ниже порогового напряжения V_GE(th). С ростом VC_E п значение I_CES медленно увеличивается. При превышении определенного максимального напряжения коллектор-эмиттер V_CES, происходит лавинный пробой перехода р⁺ область/ n^- дрейфовая зона/ n⁺ эпитаксиальный слой (напряжение пробоя V_(BR)CES). Физически, V_(BR)CES приблизительно соответствует обратному напряжению коллектор-эмиттер V_CER биполярного p-n-p транзистора в структуре IGBT (см. рис.1.6). усиленный ток, вызванный лавинным пробоем, может привести к выходу из строя IGBT, со скоростью включения биполярного транзистора. Однако, база и эмиттер практически закорочены металлизацией эмиттера и разделены только боковым сопротивлением р⁺ области. При некоторых улучшениях IGBT, подобно MOSFET как описано в 1.2.2.1, ток лавинного пробоя в ячейке удерживается на минимальном уровне, что приводит к высокой стабильности при прямом напряжении в выключенном состоянии.

Включенное состояние

Для IGBT прямое открытое состояние при положительном напряжении коллектор-эмиттер V_CE и прямом токе коллектора I_C также можно разделить на две характерных области (рис.1.10, первый квадрант).

Активный участок

При незначительном превышении напряжением затвор-эмиттер V_GE порогового V_GE(th), токовое насыщение станет причиной значительного падения напряжения на канале (горизонтальная область на выходной характеристике). Ток коллектора I_С контролируется при помощи V_GE. Переходной режим, приведенный на рис.1.10, называется, по аналогии с MOSFET, крутизна характеристики прямой передачи g_fs:

g_fs = dI_C/dV_GE = I_C/(V_GE - V_GE(th)).

Крутизна характеристики прямой передачи в области среза растет пропорционально току коллектора I_C и напряжению коллектор-эмиттер V_CE, и падает с увеличением температуры кристалла. При допустимых условиях работы для силовых модулей с несколькими кристаллами, область среза пересекается только во время включения или выключения. Как и для MOSFET, постоянная работа в области среза чаще всего запрещается, так как V_GE(th) будет падать при росте температуры и, следовательно, температурная нестабильность между одиночными кристаллами может возникнуть в результате минимальных отклонений при производстве.

Область насыщения

Область насыщения (крутой подъем кривой выходной характеристики), также называемая открытым состоянием при переключении, можно получить так же, как и I_D, с помощью внешней цепи. Характер изменения кривой во включенном состоянии можно характеризовать напряжением IGBT V_CE(sat) (напряжение насыщения коллектор-эмиттер). По крайней мере, для хорошо запираемых IGBT напряжение насыщения намного меньше, чем напряжение, требуемое для включения такого же MOSFET, благодаря тому, что n^- -дрейфовая зона заполняется неосновными носителями. Как уже упоминалось, V_CE(sat) для PTIGBT будет падать с повышением температуры и номинальным током, тогда как для NPT IGBT - пропорционально растет.

Работа при обратном напряжении

При обратном напряжении (рис.1.10, третий квадрант), коллекторный pn-переход IGBT смещен в обратном направлении и закрыт, в противоположность MOSFET. Также, благодаря большой n^- дрейфовой зоне, по крайней мере, для NPT-IGBT, обратное напряжение для современных IGBT всего около 10 В. За исключением границы кристалла, это происходит благодаря тому, что кристаллы разрабатывались в основном для работы с высоким обратным напряжением и для оптимального рассеяния тепла коллектора.

Ключи IGBT, разработанные для работы с обратным напряжением, должны снабжаться быстрыми параллельными обратными диодами.

Характеристики внешних или гибридных диодов (см. раздел 1.3) отвечают исключительно за открытый режим IGBT при обратном напряжении.