IGBT是什么？都有哪些特點？

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2022-11-29 17:09:37 697

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）也稱為：絕緣柵雙極晶體管，IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷追Q電力電子裝置的“CPU”，作為*戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件,IGBT綜合了這兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

方法

IGBT是將強電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于實現(xiàn)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(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)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(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅(qū)動器的原理圖。

導(dǎo)通

IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個部分)。其中一個MOSFET驅(qū)動兩個雙極器件。基片的應(yīng)用在管體的P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率 MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€電子流(MOSFET 電流)；一個空穴電流(雙極)。

關(guān)斷

當(dāng)在柵極施加一個負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)洌瑢哟魏穸群蜏囟取Ｉ僮拥乃p使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。

鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。

阻斷與閂鎖

當(dāng)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(qū)擴(kuò)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(qū)域尺寸，就會連續(xù)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(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/N J3結(jié)受反向電壓控制，此時，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。

IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：

當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)，只在關(guān)斷時才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū)。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。

靜態(tài)特性

IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性。

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(guān)系曲線。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(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。

IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。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。

動態(tài)特性

動態(tài)特性又稱開關(guān)特性，IGBT的開關(guān)特性分為兩大部分：一是開關(guān)速度，主要指標(biāo)是開關(guān)過程中各部分時間；另一個是開關(guān)過程中的損耗。

IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示：：

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。

通態(tài)電流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。

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 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)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(yīng)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(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進(jìn)行：器件關(guān)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(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。

IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管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(guān)斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應(yīng)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(guān)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(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級達(dá)到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實現(xiàn)高壓應(yīng)用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1um以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進(jìn)展。2013年9月12日我國自主研發(fā)的高壓大功率3300V/50A IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）芯片及由此芯片封裝的大功率1200A/3300V IGBT模塊通過專家鑒定，中國自此有了完全自主的IGBT“中國芯”。

除了IGBT外，功率半導(dǎo)體元器件（晶體管領(lǐng)域）的代表產(chǎn)品還有MOSFET、BIPOLAR等，它們主要被用作半導(dǎo)體開關(guān)。
根據(jù)其分別可支持的開關(guān)速度，BIPOLAR適用于中速開關(guān)，MOSFET則適用于高頻領(lǐng)域。
IGBT是輸入部為MOSFET結(jié)構(gòu)、輸出部為BIPOLAR結(jié)構(gòu)的元器件，通過這兩者的復(fù)合化，既是使用電子與空穴兩種載體的雙極元件，同時也是兼顧低飽和電壓（與功率MOSFET的低導(dǎo)通電阻相當(dāng)）和較快的開關(guān)特性的晶體管。
盡管其具有較快的開關(guān)特性，但仍比不上功率MOSFET，這是IGBT的弱點。

【功率元器件的基本結(jié)構(gòu)與特點】

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