绝缘栅双极晶体管原理、特点及参数

绝缘栅双极晶体管原理、特点及参数

绝缘栅双极晶体管IGBT又叫绝缘栅双极型晶体管。

一．绝缘栅双极晶体管的工作原理：
    半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。
该器件符号如下：

N沟道         P沟道
图1-8：IGBT的图形符号
注意，它的三个电极分别为门极G、集电极C、发射极E。

图1-9：IGBT的等效电路图。
上面给出了该器件的等效电路图。实际上，它相当于把MOS管和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了MOS管、GTR的优点。

二．绝缘栅双极晶体管的特点：
这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。
它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。
大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平（参考）。速度在中等电压区域（370-600V），可达到150-180KHz。

三．绝缘栅双极晶体管的参数与特性：
  （1）转移特性

图1-10：IGBT的转移特性
这个特性和MOSFET极其类似，反映了管子的控制能力。
  （2）输出特性

图1-11：IGBT的输出特性
它的三个区分别为：
靠近横轴：正向阻断区，管子处于截止状态。
爬坡区：饱和区，随着负载电流Ic变化，UCE基本不变，即所谓饱和状态。
水平段：有源区。
  （3）通态电压Von：

图1-12：IGBT通态电压和MOSFET比较
所谓通态电压，是指IGBT进入导通状态的管压降VDS，这个电压随VGS上升而下降。
由上图可以看到，IGBT通态电压在电流比较大时，Von要小于MOSFET。
MOSFET的Von为正温度系数，IGBT小电流为负温度系数，大电流范围内为正温度系数。
（4）开关损耗：
  常温下，IGBT和MOSFET的关断损耗差不多。MOSFET开关损耗与温度关系不大，但IGBT每增加100度，损耗增加2倍。
  开通损耗IGBT平均比MOSFET略小，而且二者都对温度比较敏感，且呈正温度系数。
  两种器件的开关损耗和电流相关，电流越大，损耗越高。
（5）安全工作区与主要参数ICM、UCEM、PCM：
IGBT的安全工作区是由电流ICM、电压UCEM、功耗PCM包围的区域。

图1-13：IGBT的功耗特性
最大集射极间电压UCEM：取决于反向击穿电压的大小。
最大集电极功耗PCM：取决于允许结温。
最大集电极电流ICM：则受元件擎住效应限制。
所谓擎住效应问题：由于IGBT存在一个寄生的晶体管，当IC大到一定程度，寄生晶体管导通，栅极失去控制作用。此时，漏电流增大，造成功耗急剧增加，器件损坏。
安全工作区随着开关速度增加将减小。
  （6）栅极偏置电压与电阻
IGBT特性主要受栅极偏置控制，而且受浪涌电压影响。其di/dt明显和栅极偏置电压、电阻Rg相关，电压越高，di/dt越大，电阻越大，di/dt越小。
而且，栅极电压和短路损坏时间关系也很大，栅极偏置电压越高，短路损坏时间越短。