工程師總結:IGBT知識梳理

有關IGBT你了解多少，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型電晶體，是由BJT(雙極型三極體)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/226723.htm

結構

IGBT結構圖左邊所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極電晶體結構， N+區稱為源區，附於其上的電極稱為源極。P+區稱為漏區。器件的控制區為柵區，附於其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P型區(包括P+和P-區)(溝道在該區域形成)，稱為亞溝道區(Subchannel region)。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極電晶體，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調製，以降低器件的通態電壓。附於漏注入區上的電極稱為漏極。

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來為NPN)電晶體提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成後，從P+基極注入到N-層的空穴(少子)，對N-層進行電導調製，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態電壓。

工作特性

IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關係曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似.也可分為飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態下的IGBT ，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+ 緩衝區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩衝區後，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用範圍。IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關係曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小於開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處於關斷狀態。在IGBT 導通後的大部分漏極電流範圍內， Id 與Ugs呈線性關係。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關係。IGBT 處於導通態時，由於它的PNP 電晶體為寬基區電晶體，所以其B 值極低。儘管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on) 可用下式表示

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為0.7 ～1V ;Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降;Roh ——溝道電阻。

通態電流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

由於N+ 區存在電導調製效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處於斷態時，只有很小的洩漏電流存在。

動態特性

IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程後期， PNP 電晶體由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間， tri 為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。

IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基於以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由於IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷後，PNP電晶體的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間

t(off)=td(off)+trv十t(f)