在前文的PNP結構中,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,產生latch-up現(xiàn)象。
為抑制這個現(xiàn)象,設計中必須將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。
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 其中
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導通,且,產生電流IC2,同理,
其中是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
可見,經(jīng)過一個循環(huán), BJT_1的基極電流增大了倍。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(xù)導通狀態(tài),所以若要將處于開通狀態(tài)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(fā)射極必須短接。
下面做一個簡單的推導,在BJT_1的基極和發(fā)射極之間串聯(lián)一個電阻R,會對其增益帶來多大的影響。假設基極上施加電壓
(正偏),且基極和發(fā)射極所組成的PN二極管的飽和電流是
(飽和電流的定義請回顧PN結二極管的章節(jié))。那么,沒有串聯(lián)電阻R之前,
串聯(lián)電阻R之后, 相較
多一個流經(jīng)R的之路電流,即,
顯然,,那么串聯(lián)電阻R之后的增益為,
顯然,R和是兩個關鍵因素:
1.隨著R增大, 趨近于
,當Rà0,即短路,
趨近于0;當Rà
,即開路,
趨近于
。
2.隨著增大,
趨近于
,當
à0,即短路,
趨近于0;當
>0.7,即開路,
趨近于
。
所以,IGBT設計中,一定要將BJT_1的基極和發(fā)射極短路。
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