IGBT的工作原理和工作特性

1、IGBT的工作原理和工作特性IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流， 使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFE基本相同，只需控制輸入極 N一溝道MOSFET 所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET勺溝道形成后，從 P+基極注入到N 層的空穴(少子)，對(duì)N 層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類：1靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時(shí)，漏極電流

2、與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸岀漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸岀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(wú)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)移特性是指輸岀漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET勺轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓 Ugs(th)時(shí)，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

3、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(kāi)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(shí)，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(guò)MOSFET勺電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on)可用下式表示：Uds(o n) = Uj1 + Udr + IdRoh(2 14)式中Uj1 JI結(jié)的正向電壓，其值為 IV ;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(2 15)式中Imos流過(guò)MOSFET勺電流。由于N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制

4、效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓 1000V的IGBT通態(tài)壓降為23V。IGBT處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。2動(dòng)態(tài)特性IGBT在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds下降過(guò)程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。 td(on) 為開(kāi)通延遲時(shí)間， tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給岀的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton即為 td(on)tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由 tfe1 和 tfe2 組成，如圖 2 58 所示IGBT 在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET 關(guān)斷后， PNP 晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流

5、較長(zhǎng)的尾部時(shí)間， td(off) 為關(guān)斷延遲時(shí)間， trv 為電壓 Uds(f) 的上升時(shí)間。 實(shí)際應(yīng)用中常常給岀的漏極電流的下降時(shí)間 Tf 由圖 259 中的 t(f1) 和 t(f2) 兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間 t(off)=td(off)+trv + t(f)( 216 )式中， td(off) 與 trv 之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。IGBT的基本結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè) P 型層。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的文件建議，其各部分名稱基本沿用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 相應(yīng)命名圖1所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上

6、的電極稱為源極。 N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在 緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P型區(qū)（包括P+和 P一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（ Subchannelregion ）。而在漏區(qū)另一側(cè)的 P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（ Drain injector ），它是 IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙 極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。 附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。為了兼顧長(zhǎng)期以來(lái)人們的習(xí)慣， IEC 規(guī)定：源極引出的電極端子（含電極端）稱為發(fā) 射極端（子），漏極引出的電極端（子）稱為

7、集電極端（子）。這又回到雙極晶體管的術(shù) 語(yǔ)了。但僅此而已。IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。它在結(jié)構(gòu)上類似于 MOSFET其不同點(diǎn)在于IGBT是 在N溝道功率MOSFET N+基板（漏極）上增加了一個(gè) P+基板（IGBT的集電極），形成 PN結(jié)j1 ，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與 MOSFE相似。圖1N溝道IGBT結(jié)構(gòu)圖2IGBT 的結(jié)構(gòu)剖面圖由圖2可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFE驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR，其簡(jiǎn)化等效電路如 圖3所示。圖中Rdr是厚基區(qū)GTR勺擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR為主導(dǎo)件、MOSFE為驅(qū)動(dòng) 件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。N溝道IGBT的圖形符號(hào)有兩種，如圖4所示。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常使

8、用圖 2-5所示的符號(hào)。對(duì)于P溝道，圖形符號(hào)中的箭頭方向恰好相反，如圖4所示IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的。 當(dāng)柵極加正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道， 并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通，此時(shí)，從P+區(qū)注到N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào) 制，減少N 區(qū)的電阻Rdr值，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負(fù)電 壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關(guān)斷。正是由于IGBT是在N溝道MOSFET的N+基板上加一層P+基板，形成了四層結(jié) 構(gòu)，由PNP- NPN晶體管構(gòu)成IGBT。但是，NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計(jì)時(shí) 盡可能使NPN不起

9、作用。所以說(shuō)，IGBT的基本工作與NPN晶體管無(wú)關(guān)，可以認(rèn)為是將 N 溝道MOSFET作為輸入極，PNP晶體管作為輸出極的單向達(dá)林頓管。采取這樣的結(jié)構(gòu)可在N層作電導(dǎo)率調(diào)制，提高電流密度。這是因 為從P+基板經(jīng) 過(guò)N+層向高電阻的N 層注入少量載流子的結(jié)果。IGBT的設(shè)計(jì)是通過(guò)PNP NPN晶體 管的連接形成晶閘管。模塊的術(shù)語(yǔ)及其特性術(shù)語(yǔ)說(shuō)明術(shù)語(yǔ)符號(hào)定義及說(shuō)明（測(cè)定條件參改說(shuō)明書(shū)）集電極、發(fā)射極間電壓VcES柵極、發(fā)射極間短路時(shí)的集電極，發(fā)射極間的最大電壓柵極發(fā)極間電壓Vges集電極、發(fā)射極間短路時(shí)的柵極，發(fā)射極間最大電壓集電極電流I C集電極所允許的最大直流電流耗散功率Pc單個(gè)IGBT所允許的

10、最大耗散功率結(jié)溫Tj元件連續(xù)工作時(shí)芯片溫廈關(guān)斷電流I CES柵極、發(fā)射極間短路，在集電極、發(fā)射極間加上指定 的電壓時(shí)的集電極電流。漏電流I GES集電極、發(fā)射極間短路，在柵極、集電極間加上指定的電壓 時(shí)的柵極漏電流飽和壓降V CE(sat)在指定的集電極電流和柵極電壓的情況下，集電極、 發(fā)射極間的電壓。輸入電容集電極、發(fā)射極間處于交流短路狀態(tài)，在柵極、發(fā)射極間及 集電極、發(fā)射極間加上指定電壓時(shí)，柵極、發(fā)射極間的電容模塊使用上的注意事項(xiàng)1. IGBT模塊的選定在使用IGBT模塊的場(chǎng)合，選擇何種電壓，電流規(guī)格的IGBT模塊，需要做周密的考慮。a. 電流規(guī)格IGBT模塊的集電極電流增大時(shí)，Vce（-

11、）上升，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗增大，原件發(fā)熱加劇。因此，根據(jù)額定損耗，開(kāi)關(guān)損耗所產(chǎn)生的熱量，控制器件結(jié)溫（Tj）在150 oC以下（通常為安全起見(jiàn)，以125C以下為宜），請(qǐng)使用這時(shí)的集電流以下為宜。特別是用作高頻開(kāi)關(guān)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)損耗增大，發(fā)熱也加劇，需十分注意。一般來(lái)說(shuō)，要將集電極電流的最大值控制在直流額定電流以下使用，從經(jīng)濟(jì)角度這是值得推薦的。b. 電壓規(guī)格IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即市電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系列于表1。根據(jù)使用目的，并參考本表，請(qǐng)選擇相應(yīng)的元件。元器件電壓規(guī)格600V1200V1400V電源電壓200V; 220V; 230V; 24

12、0V346V; 350V; 380V; 400V; 415V; 440V575V2.防止靜電IGBT的Vge的耐壓值為土 20V,在IGBT模塊上加出了超出耐壓值的電壓的場(chǎng)合，由于會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞的危險(xiǎn)，因而在柵極-發(fā)射極之間不能超出耐壓值的電壓，這點(diǎn)請(qǐng)注意。在使用裝置的場(chǎng)合，如果柵極回路不合適或者柵極回路完全不能工作時(shí)(珊極處于開(kāi)路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則 IGBT就會(huì)損壞，為防止這類損壞情況發(fā)生，應(yīng)在 柵極一發(fā)射極之間接一只10kQ左左的電阻為宜。此外，由于IGBT模塊為MOS吉構(gòu)，對(duì)于靜電就要十分注意。因此，請(qǐng)注意下面幾點(diǎn)：1) 在使用模塊時(shí)，手持分裝件時(shí)，請(qǐng)勿觸摸驅(qū)動(dòng)端子部份。2)

13、在用導(dǎo)電材料連接驅(qū)動(dòng)端子的模塊時(shí)，在配線未布好之前，請(qǐng)先不要接上模塊。3) 盡量在底板良好接地的情況下操作。4) 當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電放電后，再觸摸。5) 在焊接作業(yè)時(shí)， 焊機(jī)與焊槽之間的漏泄容易引起靜電壓的產(chǎn)生， 為了防止靜電的產(chǎn)生， 請(qǐng)先將焊機(jī)處于良好的接地狀態(tài)下。6) 裝部件的容器，請(qǐng)選用不帶靜電的容器。3. 并聯(lián)問(wèn)題用于大容量逆變器等控制大電流場(chǎng)合使用 IGBT模塊時(shí)，可以使用多個(gè)器件并聯(lián)。并聯(lián)時(shí)，要使每個(gè)器件流過(guò)均等的電流是非常重要的，如果一旦電流平衡達(dá)到破壞， 那么電過(guò)于集中的那個(gè)器件將可能被損壞。為使并聯(lián)時(shí)電流能平衡，適當(dāng)改變器件的特性及接線方法。例如

14、。挑選器 件的 VCE(sat) 相同的并聯(lián)是很重要的。4. 其他注意事項(xiàng)1) 保存半導(dǎo)體原件的場(chǎng)所的溫度，溫度，應(yīng)保持在常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為5-35C,常濕的規(guī)定為45 75%左右。2) 開(kāi)、關(guān)時(shí)的浪涌電壓等的測(cè)定，請(qǐng)?jiān)诙俗犹帨y(cè)定。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉 IGBT 主要參數(shù)與開(kāi)關(guān)特性的測(cè)試方法。2. 掌握混合集成驅(qū)動(dòng)電路 EXB840的工作原理與調(diào)試方法。、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2. EXB840性能測(cè)試。3. IGBT開(kāi)關(guān)特性測(cè)試。4. 過(guò)流保護(hù)性能測(cè)試。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1. MCL系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏2. MC 07電力電子實(shí)驗(yàn)箱中的IGBT與PWM波形發(fā)生器部分。3. 萬(wàn)用表二塊4雙

15、蹤示波器。四、實(shí)驗(yàn)線路見(jiàn)圖5 1。五、實(shí)驗(yàn)方法1 . IGBT主要參數(shù)測(cè)試(1 )開(kāi)啟閥值電壓 Vss(th)測(cè)試在主回路的“ 1”端與IGBT的“18”端之間串入毫安表，將主回路的“ 3”與“4”端分別與IGBT管的“14”與“17”端相連,再在“14”與“17”端間接入電壓表，并將主回路電位器RP左旋到底。將電位器 RP逐漸向右旋轉(zhuǎn)，邊旋轉(zhuǎn)邊監(jiān)視毫安表，當(dāng)漏極電流I D=1mA時(shí)的柵源電壓值即為開(kāi)啟閥值電壓匕(th)。讀取67組Id、Vgs，其中l(wèi)D=1mA必測(cè)，填入表 5 1I d (mA1Vgs (V)(2 )跨導(dǎo)gFS測(cè)試在主回路的“ 2”端與IGBT的“18”端串入安培表，將 RP

16、左旋到底，其余接線同上1 d (mA1Vgs (V)(3)導(dǎo)通電阻Rds測(cè)試將電壓表接入“18”與“17”兩端，其余同上，從小到大改變Vgs讀取Id與對(duì)應(yīng)的漏源電壓 Vds,測(cè)量5 6組數(shù)據(jù)，填入表5 31 d (mA1Vgs (V)2 . EXB840性能測(cè)試(1) 輸入輸岀延時(shí)時(shí)間測(cè)試IGBT部分的“1”與“13”分別與PWM波形發(fā)生部分的“ 1”與“2”相連， 再將IGBT部分的“10”與“13”、與門輸入“2”與t on =1”相連，用示波器觀察輸入“ 1”與“13”及 EXB840輸出“12”與“13”之間波形，記錄開(kāi)通與關(guān)斷延時(shí)時(shí)間。,t off =(2) 保護(hù)輸岀部分光耦延時(shí)時(shí)間

17、測(cè)試將IGBT部分“10”與“13”的連線斷開(kāi)，并將“6”與“7”相連。用示波器觀察“8”與“13”及“4”與“13”之間波形,記錄延時(shí)時(shí)間。(3) 過(guò)流慢速關(guān)斷時(shí)間測(cè)試接線同上，用示波器觀察“ 1”與“13”及“12”與“13”之間波形，記錄慢速關(guān)斷時(shí)間(4) 關(guān)斷時(shí)的負(fù)柵壓測(cè)試斷開(kāi)“10”與“13”的相連，其余接線同上，用示波器觀察“ 12”與“17”之間波形，記錄關(guān)斷時(shí)的負(fù)柵壓值。(5) 過(guò)流閥值電壓測(cè)試斷開(kāi)“10”與“13”，“2”與“1”的相連，分別連接“ 2”與“3”，“4”與“5”，“6”與“7”，將主回路的“ 3”與“4”分別和“ 10”與“17”相連，即按照以下表格的說(shuō)明連線

18、RP左旋到底，用示波器觀察“12”與“17”之間波形， 將RP逐漸向右旋轉(zhuǎn)，邊旋轉(zhuǎn)邊監(jiān)視波形，一旦該波形消失時(shí)即停止旋轉(zhuǎn)， 測(cè)出主回路“ 3”與“ 4”之間電壓值，該值即為過(guò)流保護(hù)閥值電壓值。（6）4端外接電容器Ci功能測(cè)試供教師研究用EXB840使用手冊(cè)中說(shuō)明該電容器的作用是防止過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作（絕大部分場(chǎng)合不需要電容器）。a. C1不接，測(cè)量“ 8”與“13”之間波形。b. “9”與“13”相連時(shí)，測(cè)量“ 8”與“13”之間波形，并與上述波形相比較。3. 開(kāi)關(guān)特性測(cè)試（ 1）電阻負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)特性測(cè)試將“1”與“13”分別與波形發(fā)生器“ 1”與“2”相連，“4”與“5”， “6”與“7”，

19、2“與” 3“，“12”與“14”，“10”與“ 18”，“ 17”與“16”相連，主回路的“ 1”與“4”分別和 IGBT部分 的“18”與“15”相連。即按照以下表格的說(shuō)明連線。用示波器分別觀察“ 18”與“15”及“14”與“15”的波形，記錄開(kāi)通延遲時(shí)間。（ 2）電阻，電感負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)特性測(cè)試將主回路“ 1”與“18”的連線斷開(kāi)，再將主回路“ 2”與“18”相連，用示波器分別觀察“ 18”與“15”及“16”與“15”的 波形，記錄開(kāi)通延遲時(shí)間。（ 3）不同柵極電阻時(shí)開(kāi)關(guān)特性測(cè)試將“12”與“14”的連線斷開(kāi)，再將“11”與“14”相連，柵極電阻從R =3kQ改為R.=27Q，其余接線與

20、測(cè)試方法同上。4. 并聯(lián)緩沖電路作用測(cè)試（1）電阻負(fù)載，有與沒(méi)有緩沖電路時(shí)觀察“ 14”與“17”及“18”與“17”之間波形。（ 2）電阻，電感負(fù)載，有與沒(méi)有緩沖電路時(shí)，觀察波形同上。5. 過(guò)流保護(hù)性能測(cè)試，柵計(jì)電阻用R4在上述接線基礎(chǔ)上，將“ 4”與“5”，“6”與“7”相連，觀察“ 14”與“17”之間波形，然后將“ 10”與“18”之間連線斷 開(kāi)，并觀察驅(qū)動(dòng)波形是否消失，過(guò)流指示燈是否發(fā)亮，待故障消除后，撳復(fù)位按鈕即可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1 根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)，繪出IGBT的主要參數(shù)的表格與曲線2繪出輸入、輸出及對(duì)光耦延時(shí)以及慢速關(guān)斷等波形，并標(biāo)出延時(shí)與慢速關(guān)斷時(shí)間3繪出所測(cè)的負(fù)柵壓值

21、與過(guò)流閥值電壓值。4繪出電阻負(fù)載，電阻電感負(fù)載以及不同柵極電阻時(shí)的開(kāi)關(guān)波形，并在圖上標(biāo)出t0N與tFF。5繪出電阻負(fù)載與電阻、電感負(fù)載有與沒(méi)有并聯(lián)緩沖電路時(shí)的開(kāi)關(guān)波形，并說(shuō)明并聯(lián)緩沖電路的作用。6. 過(guò)流保護(hù)性能測(cè)試結(jié)果，并對(duì)該過(guò)流保護(hù)電路作出評(píng)價(jià)。7. 實(shí)驗(yàn)的收獲、體會(huì)與改進(jìn)意見(jiàn)。七、思考題1.試對(duì)由EXB840構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)缺點(diǎn)作出評(píng)價(jià)。2 在選用二極管 Vi時(shí)，對(duì)其參數(shù)有何要求其正向壓降大小對(duì)IGBT的過(guò)流保護(hù)功能有何影響3 .通過(guò)MOSFE與IGBT器件的實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)你對(duì)兩者在驅(qū)動(dòng)電路的要求，開(kāi)關(guān)特性與開(kāi)關(guān)頻率，有、無(wú)反并聯(lián)寄生二極管，電流、電壓容量以及使用中的注意事項(xiàng)等方面作一分析比

22、較。深圳市學(xué)林電子有限公司產(chǎn)品的購(gòu)買方式IGBT是強(qiáng)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。MOSFE由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFE具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率 MOSFE 的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFE器件大幅度改進(jìn)了 RDS(o n)特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT高出很多。IGBT較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低 VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，與同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化IGBT 驅(qū)動(dòng)器的原理圖。的結(jié)構(gòu)與工

23、作原理圖 1 所示為一個(gè) N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。 N+ 區(qū)稱為漏 區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)(包括P+ 和 P 一區(qū))(溝道在該區(qū)域形成) ，稱為亞溝道區(qū)( Subchannel region )。而在漏區(qū)另一側(cè)的 P+ 區(qū)稱為漏注 入?yún)^(qū)( Drain injector )，它是 IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的 作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是

24、通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使 IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)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(dāng) MOSFET的溝道形成后，從 P+基極注入到N 層的空穴(少子)，對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。的工作特性1. 靜態(tài)特性IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時(shí)，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

25、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(wú) 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(kāi)啟電壓 Ugs(th)時(shí)，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

26、。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(kāi)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(shí)， 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(guò)MOSFET電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示：Uds(o n) = Uj1 + Udr + IdRoh式中Uj1 JI結(jié)的正向電壓，其值為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(guò) MOSFET電流。由于N+區(qū)存在電導(dǎo)

27、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23V。IGBT處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。2. 動(dòng)態(tài)特性IGBT在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds下降過(guò)程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。 td(on) 為開(kāi)通延遲時(shí)間， tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極 電流開(kāi)通時(shí)間 ton 即為 td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)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(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)， 必須

28、基于以下的參數(shù)來(lái)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?yàn)镮GBT柵極-發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFE驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較 MOSFET大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多 MOSFE驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于 MOSFET但明顯高于 GTR IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極 和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約 34V,和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)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。正式商用的高壓大電流 IGBT 器件至今尚

29、未出現(xiàn)，其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，特別是在高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級(jí)達(dá)到10KV以上。目前只能通過(guò)IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國(guó)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(guó)的 EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)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1 u m以下制作工藝，研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。的工作原理N溝型的IGBT工作是通過(guò)柵極一發(fā)射極間加閥值電壓 VTH以

30、上的（正）電壓，在柵極電極正下方的 p層上形成反 型層（溝道），開(kāi)始從發(fā)射極電極下的 n-層注入電子。該電子為 p+n-p晶體管的少數(shù)載流子，從集電極襯底 p+層開(kāi) 始流入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制（雙極工作） ，所以可以降低集電極發(fā)射極間飽和電壓。工作時(shí)的等效電路如圖1（b）所示，IGBT的符號(hào)如圖1 （c）所示。在發(fā)射極電極側(cè)形成n+pn寄生晶體管。若 n+pn寄生晶體管工作，又變成p+n- pn+晶閘管。電流繼續(xù)流動(dòng)，直到輸出側(cè)停止供給電流。通過(guò)輸出信號(hào)已不能進(jìn)行控制。一般將這種 狀態(tài)稱為閉鎖狀態(tài)。為了抑制n+pn-寄生晶體管的工作IGBT采用盡量縮小p+n-p晶體管的電流放大系數(shù)a作為解決閉

31、鎖的措施。 具體地 來(lái)說(shuō)，p+n-p的電流放大系數(shù)a設(shè)計(jì)為以下。 IGBT的閉鎖電流IL為額定電流（直流）的 3倍以上。IGBT的驅(qū)動(dòng)原 理與電力MOSFE基本相同，通斷由柵射極電壓 uGE決定。（1）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(gè)N+緩沖層（NPT-非穿通 -IGBT技術(shù)沒(méi)有增加這個(gè)部分），其中一個(gè) MOSFE驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)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(gè)電子流產(chǎn)生的電壓

32、在范圍內(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(yáng)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(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo) 體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流（MOSFET電流）；空穴電流（雙極）。uGE大于開(kāi)啟電壓 UGE（th）時(shí)，MOSFE內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。（2）導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。（3）關(guān)斷當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果 MOSFET電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開(kāi)始后，在N層內(nèi)還存在少

33、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(shí)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 撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問(wèn)題：功耗升高；交叉導(dǎo) 通問(wèn)題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問(wèn)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(dòng)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(jì)上的電流的不理想效應(yīng)是可行的，尾流特性與 VCE、 IC 和 TC有關(guān)。柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFE內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。（4）

34、反向阻斷。厚度，將無(wú)法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機(jī)制十分重要。另一方面，如果過(guò)大地增加這個(gè)區(qū)域尺寸，就 會(huì)連續(xù)地提高壓降。(5) 正向阻斷。當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)， P/NJ3 結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由 N 漂移區(qū)中的 耗盡層承受外部施加的電壓。(6) 閂鎖。IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會(huì)導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會(huì)使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對(duì)等效MOSFET勺控制能力降低，通常還會(huì)引起器件擊穿問(wèn)題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為 IGBT 閂鎖，具體地說(shuō)，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

35、，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)閂鎖有 如下主要區(qū)別：當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。 只在關(guān)斷時(shí)才會(huì)出現(xiàn)動(dòng)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：一是防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級(jí)別。二是降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對(duì) 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(huì)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。當(dāng)前普遍采用的IGBT短路或過(guò)流保護(hù)方式是通過(guò)檢測(cè) Vce的

36、電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)的5，當(dāng)IGBT出現(xiàn)短路或過(guò)流時(shí)， 其工作區(qū)將退出飽和區(qū)而使 Vce電壓升高，具體的保護(hù)電路原理如圖6所示。通過(guò)二極管 D與IGBT的集電極相連來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的欠飽和檢測(cè)，Vce電壓升高將相應(yīng)地使串聯(lián)二極管的陽(yáng)極電位升高，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的短路門 限時(shí)保護(hù)電路動(dòng)作，關(guān)斷IGBT。由于IGBT在開(kāi)通初期的集電極電壓比較高，如果此時(shí)保護(hù)電路工作可能造成 誤動(dòng)作，必須設(shè)置一個(gè)盲區(qū)時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)短路保護(hù)電路是不工作的。此功能是通過(guò)開(kāi)關(guān) S和外接并聯(lián)電阻Rce和電容Cce來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，S開(kāi)通，電容Cce被充電到15V,當(dāng)IGBT開(kāi)通時(shí)，S關(guān)斷，Cce電 容經(jīng)Rce放電，放電終止電壓

37、為：這樣就可以使得在IGBT開(kāi)通初期，參考電壓高于檢測(cè)電壓，防止保護(hù)電路誤動(dòng)作，正常工作時(shí)的波形如 圖 7(a) 所示。發(fā)生短路或過(guò)流故障時(shí)的波形如圖 7(b) 所示。圖 6 短路保護(hù)電路原理圖(a) (b)圖 7 保護(hù)電路波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離傳輸方式考慮咼壓大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器工作在咼電壓環(huán)境，為了保證控制器不受咼壓側(cè)的影響，驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)必須經(jīng)過(guò)隔離后再傳送到 IGBT 的柵極。通常的隔離方式有光隔離和磁隔離，光隔離又包括光耦隔離和光纖隔離， 光耦隔離方式由于隔離電壓相對(duì)較低，存在傳輸延遲、老化和可靠性等方面的問(wèn)題，在直流母線電壓超過(guò) 800 V的高壓應(yīng)用場(chǎng)合很少采用。而采用脈沖變壓器隔離方式（磁隔離）可