绝缘栅双极晶体管（IGBT)

绝缘栅双极晶体管（IGBT)

基础知识
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT）
GTR和MOSFET复合，结合二者的优点
1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，
     中小功率电力电子设备的主导器件
继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位

1. IGBT的结构和工作原理
三端器件：栅极G、集电极C和发射极E

IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图  b) 简化等效电路  c) 电气图形符号
（1）IGBT的结构
如图所示，N沟道MOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT）
IGBT比P-MOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1
使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移
       区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管
RN为晶体管基区内的调制电阻
（2）IGBT的工作原理
             驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压UGE决定
导通：
       UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通
导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小
关断：
       栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断

2. IGBT的静态工作特性

IGBT的转移特性和输出特性
a) 转移特性      b) 输出特性

（1）转移特性：
               IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。
开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射
                                          电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在
                                           +25C时，UGE(th)的值一般为2~6V
（2）输出特性（伏安特性）：
               以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系
分为四个区域：正向阻断区、有源区、饱和区和击穿区。
UCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态
3.  IGBT的动态特性
 IGBT的开关过程

（1）IGBT的开通过程  
       与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行
开通延迟时间td(on) ——从UGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM      
电流上升时间tr ——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间
开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和
UCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。
       tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；
       tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程
（2）IGBT的关断过程
关断延迟时间td(off) ——从UGE后沿下降到其幅值90%的时刻                                               
                                                起，到iC下降至 90%ICM
电流下降时间——iC从90%ICM下降至10%ICM
关断时间toff——关断延迟时间与电流下降之和
电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。
       tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；
       tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢
IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应
      的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低
      于电力MOSFET
4. IGBT的主要参数
   除了前面介绍的td(on)、tr、td(off)、tf、UGE(th)之外，还包括：
1）最大集射极间电压：
    包括栅射极短路时最大集射极间直流电压UCES；栅射极开路时
    最大集射极间直流电压UCEO；栅射极反偏压时最大集射极间直
    流电压UCEX。通常，由内部PNP晶体管击穿
    电压确定，与GTR不同，三者差别较小，有。
2）最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP
3） 最大集电极功耗PCM ：正常工作温度下允许的最大功耗
4）最大栅极电压
     栅射极之间的电压由栅极氧化膜厚度和特性所决定，一般应限制在20V以内，其最佳值一般取15V左右。
5. IGBT的特性和参数特点
（1）开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当
（2）相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力
（3）通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域
（4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似
（5）与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同 时保持开关频率高的特点

6. IGBT的擎住效应和安全工作区

IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图  b) 简化等效电路  c) 电气图形符号

（1） IGBT的安全工作区
正偏安全工作区（FBSOA）——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定
反向偏置安全工作区（RBSOA）——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定
（2） IGBT的擎住效应
寄生晶闸管——由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成

擎住效应或自锁效应：
       NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控
动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期
       开始逐渐解决
IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件
注：电导调制效应
    当PN结上流过的正向电流较小时，低掺杂N区的欧姆电阻较高，当PN结上流过较大正向电流时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，从而使其电阻率明显下降，也就是电导率大幅增加，这就是电导调制效应。