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IGBT中的若干PN結(jié)—PNPN結(jié)構(gòu)介紹

冬至子 ? 來源:橘子說IGBT ? 作者:orange ? 2023-11-29 12:43 ? 次閱讀
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在前文的PNP結(jié)構(gòu)中,我們描述了一種現(xiàn)象,如果IGBT中的兩個BJT都處于工作狀態(tài),那么就會發(fā)生失控,產(chǎn)生latch-up現(xiàn)象。

為抑制這個現(xiàn)象,設(shè)計中必須將BJT_1的基極和發(fā)射極短路。

這里我們討論一下,如果不將BJT_1的基極和發(fā)射極短路,會出現(xiàn)什么情況。

將BJT_1和BJT_2等效為NPN和PNP互聯(lián)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(dǎo)通,產(chǎn)生電流IC1,且圖片 其中圖片是BJT_1的共發(fā)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(dǎo)通,且圖片,產(chǎn)生電流IC2,同理,

圖片

其中圖片是BJT_2的共發(fā)射極增益;

3.因為IC2又與BJT_1的基極相連,所以

圖片

可見,經(jīng)過一個循環(huán), BJT_1的基極電流增大了圖片倍。如此反復(fù),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(jié)構(gòu)被稱為晶閘管,被廣泛應(yīng)用在電力電子控制領(lǐng)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(nèi)部BJT自反饋的原因處于持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài),所以若要將處于開通狀態(tài)的晶閘管關(guān)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(guān)閉,當然這會增加驅(qū)動的功耗。

綜上,IGBT中的寄生BJT_1的基極和發(fā)射極必須短接。

圖片

下面做一個簡單的推導(dǎo),在BJT_1的基極和發(fā)射極之間串聯(lián)一個電阻R,會對其增益圖片帶來多大的影響。假設(shè)基極上施加電壓圖片(正偏),且基極和發(fā)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(jié)二極管的章節(jié))。那么,沒有串聯(lián)電阻R之前,

圖片

串聯(lián)電阻R之后, 圖片相較圖片多一個流經(jīng)R的之路電流,即,

圖片

顯然,圖片,那么串聯(lián)電阻R之后的增益為,

圖片

顯然,R和圖片是兩個關(guān)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(shè)計中,一定要將BJT_1的基極和發(fā)射極短路。

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