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IGBT中的若干PN結—PNPN結構介紹

冬至子 ? 來源:橘子說IGBT ? 作者:orange ? 2023-11-29 12:43 ? 次閱讀

在前文的PNP結構中,我們描述了一種現象,如果IGBT中的兩個BJT都處于工作狀態,那么就會發生失控,產生latch-up現象。

為抑制這個現象,設計中必須將BJT_1的基極和發射極短路。

這里我們討論一下,如果不將BJT_1的基極和發射極短路,會出現什么情況。

將BJT_1和BJT_2等效為NPN和PNP互聯的電路。

圖片

BJT_2的基極與BJT_1的集電極相連, BJT_2的集電極與BJT_1的基極相連。

1.在O點施加一個電流IB1, BJT_1導通,產生電流IC1,且圖片 其中圖片是BJT_1的共發射極增益;

2.因為IC1與BJT_2的基極相連,相當于給BJT_2提供了基極電流IB2,所以BJT_2導通,且圖片,產生電流IC2,同理,

圖片

其中圖片是BJT_2的共發射極增益;

3.因為IC2又與BJT_1的基極相連,所以

圖片

可見,經過一個循環, BJT_1的基極電流增大了圖片倍。如此反復,通過器件的電流迅速增大,若沒有額外的限流措施,那么器件就會損壞。

這種PNPN結構被稱為晶閘管,被廣泛應用在電力電子控制領域中。從器件的物理特性可以看出,晶閘管一旦開啟,就會因為內部BJT自反饋的原因處于持續導通狀態,所以若要將處于開通狀態的晶閘管關斷,就必須施加額外的控制手段,如直接外接電壓反向,或者把基極電流抽出,強制BJT關閉,當然這會增加驅動的功耗。

綜上,IGBT中的寄生BJT_1的基極和發射極必須短接。

圖片

下面做一個簡單的推導,在BJT_1的基極和發射極之間串聯一個電阻R,會對其增益圖片帶來多大的影響。假設基極上施加電壓圖片(正偏),且基極和發射極所組成的PN二極管的飽和電流是圖片(飽和電流的定義請回顧PN結二極管的章節)。那么,沒有串聯電阻R之前,

圖片

串聯電阻R之后, 圖片相較圖片多一個流經R的之路電流,即,

圖片

顯然,圖片,那么串聯電阻R之后的增益為,

圖片

顯然,R和圖片是兩個關鍵因素:

1.隨著R增大, 圖片趨近于圖片,當Rà0,即短路, 圖片趨近于0;當Rà圖片,即開路,圖片趨近于圖片

2.隨著圖片增大,圖片趨近于圖片,當圖片à0,即短路, 圖片趨近于0;當圖片>0.7,即開路, 圖片趨近于圖片

所以,IGBT設計中,一定要將BJT_1的基極和發射極短路。

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