IGBT的特點、工作原理及安全工作區(qū)

第第頁IGBT的特點、工作原理及安全工作區(qū)絕緣柵雙極（晶體管）(（IGBT）,InsulatedGateBipolarTransist（or）)是一種三端功率（半導(dǎo)體）器件，主要用作（電子）開關(guān)，在較新的器件中以結(jié)合高效和快速開關(guān)而聞名。IGBT通過在單個器件中組合用于控制輸入的隔離柵極FET和作為開關(guān)的雙極功率晶體管，將（MOSFET）的簡單（柵極驅(qū)動）特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結(jié)合。IGBT用于中到大功率應(yīng)用，如（開關(guān)電源）、牽引（電機控制）和感應(yīng)加熱。

圖1.IGBT電路圖符號

01IGBT特點

IGBT具有柵極、集電極、發(fā)射極3個引腳。柵極與MOSFET相同，集電極和發(fā)射極與雙極晶體管相同。IGBT與MOSFET一樣通過電壓控制端口，在N溝道型的情況下，對于發(fā)射極而言，在柵極施加正電壓時，集電極-發(fā)射極導(dǎo)通，流過集電極（電流）。我們將另行介紹其工作和驅(qū)動方法。

IGBT是結(jié)合了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點的晶體管。MOSFET由于柵極是隔離的，因此具有輸入阻抗高、開關(guān)速度較快的優(yōu)點，但缺點是在高電壓時導(dǎo)通電阻較高。雙極晶體管即使在高電壓條件下導(dǎo)通電阻也很低，但存在輸入阻抗低和開關(guān)速度慢的缺點。通過彌補這兩種器件各自的缺點，IGBT成為一種具有高輸入阻抗、開關(guān)速度快(IGBT開關(guān)速度比MOSFET慢，但仍比雙極晶體管快。)，即使在高電壓條件下也能實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻的晶體管。

02IGBT的（工作原理）

當向發(fā)射極施加正的集電極電壓VCE，同時向發(fā)射極施加正的柵極電壓VGE時，IGBT便能導(dǎo)通，集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，集電極電流（IC）流過。

圖2.IGBT近似的等效電路

IGBT的等效電路如上圖所示。當柵極-發(fā)射極(G-E)和集電極-發(fā)射極(C-E)通路均發(fā)生正偏置時，N溝道MOSFET導(dǎo)通，導(dǎo)致漏極電流流動。該漏極電流也流向QPNP的基極并導(dǎo)致IGBT導(dǎo)通。由于QPNP的直流電流增益(α)非常小，因此幾乎整個發(fā)射極電流(IE(pnp))都作為基極電流(IB(pnp))流動。但部分IE(pnp)會作為集電極電流(IC(pnp))流動。IC(pnp)無法開啟QNPN，因為它繞過了QNPN基極和發(fā)射極之間插入的RBE。

因此，IGBT的幾乎所有集電極電流都通過QPNP的發(fā)射極-基極通路作為N溝道MOSFET的漏極電流流動。此時，空穴從QPNP的發(fā)射極注入到N通道MOSFET的高（電阻）漂移層。這導(dǎo)致漂移層的電阻率(Rd(MOS))大大降低，從而降低了導(dǎo)通期間的導(dǎo)通電阻。這種現(xiàn)象稱為電導(dǎo)率調(diào)制。

關(guān)閉柵極(G)（信號）會導(dǎo)致N溝道MOSFET關(guān)斷，從而導(dǎo)致IGBT關(guān)斷。

03安全工作區(qū)

在IGBT的規(guī)格書中，可能會看到安全工作區(qū)(SOA,SafeOpera（ti）ngArea)，例如ROHM的RGS30TSX2DHR如下圖所示。這個安全工作區(qū)是指什么?

圖3.Rohm的RGS30TSX2DHR安全工作區(qū)(圖片來源ROHM)

IGBT的安全工作區(qū)(SOA)是使IGBT在不發(fā)生自損壞或性能沒有下降的情況下的工作電流和電壓條件。實際上，不僅需要在安全工作區(qū)內(nèi)使用IGBT，還需對其所在區(qū)域?qū)嵤囟冉殿~。安全工作區(qū)分為正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA,ForwardBiasSafeOperatingArea)和反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA,ReverseBiasSafeOperatingArea)。

3.1正向偏置安全工作區(qū)

正向偏置安全工作區(qū)定義了IGBT導(dǎo)通期間的可用電流和電壓條件。

圖4.RGS30TSX2DHR的正向偏置安全工作區(qū)(圖片來源ROHM)

上圖是RGS30TSX2DHR的正向偏置安全工作區(qū)，可以根據(jù)具體情況分為4個領(lǐng)域，如下所述:1)受集電極最大額定電流限制的區(qū)域2)受集電極耗散限制的區(qū)域3)受二次擊穿限制的區(qū)域(該區(qū)域會因器件設(shè)計而有所不同)4)受集電極-發(fā)射極最大額定電壓限制的區(qū)域

3.2反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)定義了IGBT關(guān)斷期間的可用電流和電壓條件。

圖5.RGS30TSX2DHR的反向偏置安全工作區(qū)(圖片來源ROHM)

上圖是RGS30TSX2DHR的反向偏置SOA可以簡單分為2個有限區(qū)域，如下所述:

受集電極最大額定電流值限制的區(qū)域

受集電極-發(fā)射極最大額定電壓限制的區(qū)域。

請注意，當設(shè)計的VCE-IC工作軌跡偏離（產(chǎn)品）本身安全工作區(qū)時，產(chǎn)品可能會發(fā)生出現(xiàn)意外故障。因此，在設(shè)計電路時，在確定與擊穿容限相關(guān)的具體特性和電路常數(shù)時，必須密切注意耗散和其他性能問題。例如，反向偏置安全工作區(qū)具有溫度特性(在高溫下劣化)，VCE-IC的工作軌跡根據(jù)柵極電阻Rg和柵極電壓VGE而變化。

因此，有必要在了解工作環(huán)境和關(guān)斷時的最小柵極電阻值后，才進行Rg和VGE設(shè)計。

04不同類型IGBT產(chǎn)品

市場上有不同類型的IGBT產(chǎn)品，我們可以根據(jù)實際應(yīng)用情況、安裝類型(例如通孔、面板安裝或表面安裝)來挑選。

IGBT單管

將MOSFET的簡單柵極驅(qū)動特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結(jié)合。

圖6.IXYS的IXYH16N170C

IGBT模塊

由IGBT與（二極管）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品。封裝后的IGBT模塊可以直接應(yīng)用于（變頻器）、UPS不間斷（電源）等設(shè)備上。IGBT模塊具有節(jié)能、安裝（維修）方便、散熱穩(wěn)定等特點。

圖7.Infineon的FZ800R12KE3

圖8.Infineon的IM241-L6T2B（智能）（功率模塊）(IPM)

總結(jié)

IGBT是一種功率半導(dǎo)體器件，用于電子開關(guān)，控制和改變電流的大小頻率，是電能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用的核心（芯片）。由于篇幅有限，IGBT涉及的技術(shù)內(nèi)容、應(yīng)用領(lǐng)域很廣，所以歡迎大家在文末交流分享，一起討論學(xué)習(xí)。

歷經(jīng)多年，作為功率器件的重要一脈，IGBT在（高壓）應(yīng)用中的地位