IGBT静态特性

图2.4.5 给出了有并联反接续流二极管的IGBT特性曲线和转移曲线。

图 2.4.5 a) IGBT特性曲线(n通道增强型);
b) 转移曲线 IC = f(VGE)
稳定的开关状态是:
正向截止状态和雪崩击穿状态当集电极-发射极的电压VCE为正，且栅极-发射极电压VGE小于栅极-发射极的开启电压VGE(th)时，在IGBT的集电极和发射极之间仅有一个很小的集电极-发射极残余电流ICES。这个残余电流ICES随着电压VCE的上升在开始阶段仅略微增加，当VCE大于某一特定的最高许可的集电极-发射极电压VCES时，IGBT的PIN结(p+区/n漂移区/n+外延生长区)就会出现雪崩效应(击穿电压V(BR)CES)。从物理的角度来解释，IGBT击穿电压V(BR)CES对应了IGBT结构中pnp 双极晶体管的击穿电压VCER。在雪崩现象时，由集电极-基极二极管产生的放大电流可以通过开通的双极晶体管，造成IGBT的损坏。基极和发射极因为金属化发射极是几乎被短路，他们之间只有一个p+区的横向电阻。
导通状态 (第1象限)
在集电极-发射极电压VCE为正，并集电极电流IC也为正时，IGBT处于正向导通状态。此时特性曲线包含两个部分:

- 主动工作区
当栅极-发射极电压VGE略大于门限电压VGE(th)时，由于沟道电流的饱和效应，沟道会出现一个相对较高的电压(特性曲线的水平线)。此时集电极电流IC会受到电压VGE的控制。
我们用正向转移率gfs来描述图2.4.5 b)所示的转移特性。它的定义是
gfs = DIC/DVGE = IC/( VGE-VGE(th)).
转移特性在线性放大区域内的转移率随集电极电流IC和集电极-发射极的电压VCE增加而增加，并随着芯片的温度上升而减少。在由多个并联IGBT芯片构成的功率模块中，这一区域只是在开关过程中被经过,模块是不会稳定的工作在这个区域的，因为电压VGE(th)会随着温度的上升而下降，这样，芯片间的很微小的差异就能造成温度失衡。
- 饱和区
在开关过程中，一旦电流IC只是由外部电路所决定，便处于所谓的饱和区(特性曲线很陡上升部分) ，也被称为导通状态。导通特性的主要参数是残余电压VCE(sat)(集电极-发射极饱和电压降)。这时在IGBT的n-漂移区内充满了少数载流子所以IGBT的饱和压降VCE(sat)相比MOSFET模块的通态压降要明显低的多。对大部分现在使用的IGBT模块饱和压降VCE(sat)随着温度的升高而增加，但根据PT理论设计的IGBT的饱和压降VCE(sat)在额定电流区域内随着温度的升高反而下降。
反向特性(第3象限)
反向运行是指IGBT集电极端的pn结处于截止状态。因为不同的设计理念，在IGBT中的pin二极管的截止电压仅在数十伏左右。为了提高IGBT的反向截止特性现在常常通过串联二极管构成混合型。在一些标准的应用场合中，反向导通的IGBT经常同并联反向快速二极管(逆向二极管)一起被使用。这样，这时IGBT反向导通特性就取决混合连接的逆向二极管的特性。我们将在2.4.2.3章进一步 讨论。