絕緣柵雙極電晶體(IGBT)

一、IGBT的工作原理

　　電力MOSFET器件是單極型（N溝道MOSFET中僅電子導電、P溝道MOSFET中僅空穴導電）、電壓控制型開關器件；因此其通、斷驅動控制功率很小，開關速度快；但通態降壓大，難於製成高壓大電流開關器件。電力三極電晶體是雙極型（其中，電子、空穴兩種多數載流子都參與導電）、電流控制型開關器件；因此其通-斷控制驅動功率大，開關速度不夠快；但通態壓降低，可製成較高電壓和較大電流的開關器件。為了兼有這兩種器件的優點，棄其缺點，20世紀80年代中期出現了將它們的通、斷機制相結合的新一代半導體電力開關器件——絕緣柵極雙極型電晶體（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。它是一種複合器件，其輸入控制部分為MOSFET，輸出級為雙級結型三極電晶體；因此兼有MOSFET和電力電晶體的優點，即高輸入阻抗，電壓控制，驅動功率小，開關速度快，工作頻率可達到10~40kHz（比電力三極體高），飽和壓降低（比MOSFET 小得多，與電力三極體相當），電壓、電流容量較大，安全工作區域寬。目前2500~3000V、800~1800A的IGBT器件已有產品，可供幾千kVA以下的高頻電力電子裝置選用。

　　圖1為IGBT的符號、內部結構等值電路及靜態特性。IGBT也有3個電極：柵極G、發射極E和集電極C。輸入部分是一個MOSFET管，圖1中R_dr表示MOSFET的等效調製電阻（即漏極-源極之間的等效電阻R_DS）。輸出部分為一個PNP三極體T₁，此外還有一個內部寄生的三極體T₂（NPN管），在NPN電晶體T₂的基極與發射極之間有一個體區電阻R_br。

　　當柵極G與發射極E之間的外加電壓U_GE=0時，MOSFET管內無導電溝道，其調製電阻R_dr可視為無窮大，Ic=0，MOSFET處於斷態。在柵極G與發射極E之間的外加控制電壓U_GE，可以改變MOSFET管導電溝道的寬度，從而改變調製電阻R_dr，這就改變了輸出電晶體T₁（PNP管）的基極電流，控制了IGBT管的集電極電流Ic。當U_GE足夠大時（例如15V），則T₁飽和導電，IGBT進入通態。一旦撤除U_GE，即U_GE=0，則MOSFET從通態轉入斷態，T₁截止，IGBT器件從通態轉入斷態。

二、IGBT的基本特性

1、 靜態特性

　　（1） 輸出特性：是U_GE一定時集電極電流Ic與集電極-發射極電壓U_CE的函數關係，即Ic=f（U_CE）。

　　圖1示出IGBT的輸出特性。U_GE=0的曲線對應於IGBT處於斷態。在線性導電區I，U_CE增大，Ic增大。在恆流飽和區Ⅱ，對於一定的U_GE，U_CE增大，I_C不再隨U_CE而增大。{{分頁}}

　　在U_CE為負值的反壓下，其特性曲線類似於三極體的反向阻斷特性。

　　為了使IGBT安全運行，它承受的外加壓、反向電壓應小於圖1（c）中的正、反向折轉擊穿電壓。

　　（2） 轉移特性：是圖1（d）所示的集電極電流Ic與柵極電壓U_GE的函數關係，即Ic=f(U_GE)。

　　當U_GE小於開啟閾值電壓U_{GE th}時，等效MOSFET中不能形成導電溝道；因此IGBT處於斷態。當U_GE>U_{GE th}後，隨著U_GE的增大，Ic顯著上升。實際運行中，外加電壓U_GE的最大值U_GEM一般不超過15V，以限制Ic 不超過IGBT管的允許值I_CM。IGBT在額定電流時的通態壓降一般為1.5~3V。其通態壓降常在其電流較大（接近額定值）時具有正的溫度係數（Ic增大時，管壓降大）；因此在幾個IGBT並聯使用時IGBT器件具有電流自動調節均流的能力，這就使多個IGBT易於並聯使用。

2、  動態特性

　　圖2示出了IGBT的開通和關斷過程。開通過程的特性類似於MOSFET；因為在這個區間，IGBT大部分時間作為MOSFET運行。開通時間由4個部分組成。開通延遲時間td是外施柵極脈衝從負到正跳變開始，到柵-射電壓充電到U_{GE th}的時間。這以後集電極電流從0開始上升，到90%穩態值的時間為電流上升時間t_ri。在這兩個時間內，集-射極間電壓U_CE基本不變。此後，U_CE開始下降。下降時間t_fu1是MOSFET工作時漏-源電壓下降時間t_fu2是MOSFET和PNP電晶體同時工作時漏-源電壓下降時間；因此，IGBT開通時間為     t_on=t_d+t_r+t_fu1+t_fu2。

 

　　開通過程中，在t_d、t_r時間內，柵-射極間電容在外施正電壓作用下充電，且按指數規律上升，在t_fu1、t_fu2這一時間段內MOSFET開通，流過對GTR的驅動電流，柵-射極電壓基本維持IGBT完全導通後驅動過程結束。柵-射極電壓再次按指數規律上升到外施柵極電壓值。

　　IGBT關斷時，在外施柵極反向電壓作用下，MOSFET輸入電容放電，內部PNP電晶體仍然導通，在最初階段裡，關斷的延遲時間t_d和電壓U_CE的上升時間t_r，由IGBT中的MOSFET決定。關斷時IGBT和MOSFET的主要差別是電流波形分為t_fi1和t_fi2兩部分，其中，t_fi1由MOSFET決定，對應於MOSFET的關斷過程；t_fi2由PNP電晶體中存儲電荷所決定。因為在t_fi1末尾MOSFET已關斷，IGBT又無反向電壓，體內的存儲電荷難以被迅速消除；所以漏極電流有較長的下降時間。因為此時漏源電壓已建立，過長的下降時間會產生較大的功耗，使結溫增高；所以希望下降時間越短越好。

3、  擎住效應

　　由圖1(b)電路可以看到IGBT內部的寄生三極體T₂與輸出三極體T₁等效於一個晶閘管。內部體區電阻R_br上的電壓降為一個正向偏壓加在寄生三極體T₂的基極和發射極之間。當IGBT處於截止狀態和處於正常穩定通態時（ic不超過允許值時），R_br上的壓降都很小，不足以產生T₂的基極電流，T₂不起作用。但如果ic瞬時過大，R_br上壓降過大，則可能使T₂導通，而一旦T₂導通，即使撤除門極電壓U_GE，IGBT仍然會像晶閘管一樣處於通態，使門極G失去控制作用，這種現象稱為擎住效應。在IGBT的設計製造時已儘可能地降低體區電阻R_br，使IGBT的集電極電流在最大允許值I_CM時，R_br上的壓降仍小於T₂管的起始導電所必需的正偏壓。但在實際工作中ic一旦過大，則可能出現擎住效應。如果外電路不能限制ic的增長，則可能損壞器件。{{分頁}}

　　除過大的ic可能產生擎住效應外，當IGBT處於截止狀態時，如果集電極電源電壓過高，使T₁管漏電流過大，也可能在R_br上產生過高的壓降，使T₂導通而出現擎住效應。

　　可能出現擎住效應的第三個情況是：在關斷過程中，MOSFET的關斷十分迅速，MOSFET關斷後圖1(b)中三極體T₂的J₂結反偏電壓U_BA增大，MOSFET關斷得越快，集電極電流ic減小得越快，則U_CA=Es-R

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