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温度对IGBT开关的影响

2025-12-05 09:16:54

    IGBT芯片的工作温度必须保持在临界温度以下,使得正向和反向漏电流都不会因为变大而失效损坏。在器件导通状态、截止状态、开通和关断过程中,流过的电流会产生大量的热必须传导至周围环境,以防止温度上升使得器件性能不足以满足要求的程度。

    器件导电特性的温度依赖性在IGBT上的体现其实不如功率MOS。所以在稳态条件下,大电流水平运行时的IGBT可以实现安全并联。IGBT的总压降是二极管和MOS结构压降之和。二极管结构有一个负温度系数,MOS结构存在一个正温度系数,而这些结构的贡献会随电流和温度的变化而变化。

    因为NPT-IGBT的高载流子寿命,其正向电流-电压特性表现为负的电流温度系数,即电流随温度的升高而下降。这个表现就是载流子寿命、载流子迁移率和二极管内建电势和接触电阻的综合结果。NPT-IGBT的寿命在常温下就已经较高,所以它随温度的升高变化也比较小。虽然本征载流子浓度会随温度的升高而增加,但是内建电势随温度的升高而降低,伴随着的迁移率降低和接触电阻的增加是产生整体电流负温度系数的主要因素。NPT-IGBT的这个特性非常有利于IGBT的并联使用,防止热失控。

    对于PT-IGBT,低的载流子寿命带来的是电流温度系数为正。载流子寿命随温度的增加而增加,在更高的温度下存在更多的自由载流子,从而带来更大的电流值。这主要归因于本征载流子浓度的增大,这降低了正向压降。载流子寿命和本征载流子浓度的效应取代了迁移率的下降和接触电阻的上升,最终导致了电流的正温度系数。所以PT-IGBT在这个角度来说不适合多并工作,因为热不均匀会导致破坏性的热失控。

    所以,NPT-IGBT因高载流子寿命不受温度过多的影响,因此关断不容易受到热退化的影响,这就使得NPT-IGBT在关断过程中具有更好的耐热性。温度对关断时间的影响在PT-IGBT中相对更加明显,这是因为室温下寿命短,随着温度的增加,寿命不断增加以及集电极注入效应的提高和更高的本征载流子浓度,使得关断时间变长,从而降低了PT-IGBT的开关速度。因此PT-IGBT的动态性能随温度的升高而变差。下降时间的正温度系数会带来更大的功耗。通过选择正确温度系数的电阻Rg可以在一定程度上补偿这个缺陷。

温度对IGBT开通过程的影响

    IGBT的开通过程开始于栅极电压高于器件阈值电压,此时沟道形成,电子由发射极经沟道注入到漂移区内,同时背面集电极也在向漂移区注入空穴,最终在电导调制效应下在n-漂移区中形成稳定的载流子分布。这个过程非常迅速,并且因存在大量的载流子持续注入,且复合作用较弱,因此温度对IGBT的开通过程影响较小。下图给出了PT-IGBTNPT-IGBT以及FS-IGBT开通时间和开通损耗的影响。图中可以看到,25℃15℃下器件开通时间和开通损耗差别不大。

温度对于IGBT关断过程的影响

对于PT-IGBT,在关断过程中产生的热效应较为明显。如下图就是温度对PT-IGBTNPT-IGBTFS-IGBT的关断损耗和关断时间的影响。

因室温时载流子寿命低,随着温度升高,载流子寿命增加,使得关断时间延长,关断速度变慢。在关断过程中,因NPT-IGBTFS-IGBT的载流子寿命较高,随温度升高的变化不明显,因此其关断时间也基本不随温度变化。从关断损耗上看,温度对FS-IGBT的关断损耗影响不大,对PT-IGBTNPT-IGBT的关断损耗影响较大。

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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温度对IGBT开关的影响
IGBT芯片的工作温度必须保持在临界温度以下,使得正向和反向漏电流都不会因为变大而失效损坏。在器件导通状态、截止状态、开通和关断过程中,流过的电流会产生大量的热
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