IGBT基礎知識梳理

　　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。

　　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)

　　式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。

　　IGBT的開關速度低於MOSFET，但明顯高於GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極並聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

　　正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求；高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司採用軟穿通原則研製出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要採用1um以下製作工藝，研製開發取得一些新進展。

　　IGBT 原理

　　方法

　　IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由於實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特徵，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，並簡化IGBT驅動器的原理圖。

　　導通

　　IGBT矽片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩衝層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P+和 N+ 區之間創建了一個J1結。 當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，並完全按照功率 MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0.7V範圍內，那麼，J1將處於正向偏壓，一些空穴注入N-區內，並調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，並啟動了第二個電荷流。最後的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流)； 空穴電流(雙極)。

　　關斷

　　當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低於門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始後，在N層內還存在少數的載流子(少子)。這種殘餘電流值(尾流)的降低，完全取決於關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特徵尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續流二極體的設備上，問題更加明顯。

　　鑑於尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與晶片的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關係。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。

　　阻斷與閂鎖

　　當集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區域尺寸，就會連續地提高壓降。 第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的壓降高的原因。

　　當柵極和發射極短接並在集電極端子施加一個正電壓時，P/N J3結受反向電壓控制。此時，仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。

　　IGBT在集電極與發射極之間有一個寄生PNPN晶閘管，如圖1所示。在特殊條件下，這種寄生器