IGBT的基礎(chǔ)知識(shí)－－IGBT的基本結(jié)構(gòu)，參數(shù)選擇，使

1.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(chēng)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(chēng)為源區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為源極。 N+ 區(qū)稱(chēng)為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)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(chēng)為亞溝道區(qū)（Subchannel region ）。而在漏區(qū)另一側(cè)的 P+ 區(qū)稱(chēng)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(chēng)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(chēng)為發(fā)射極端（子），漏極引出的電極端（子）稱(chēng)為集電極端（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(lèi)似于MOSFET ，其不同點(diǎn)在于IGBT是在N溝道功率MOSFET 的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MOSFET相似。

圖1 N溝道IGBT結(jié)構(gòu)

圖2 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖

由圖2可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET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的擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR 為主導(dǎo)件、MOSFET 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一區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N一區(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一層作電導(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一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。

2.IGBT模塊的術(shù)語(yǔ)及其特性術(shù)語(yǔ)說(shuō)明

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

3.IGBT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(-)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 150oC以下（通常為安全起見(jiàn)，以125oC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。

2. 防止靜電

IGBT的VGE的耐壓值為±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(lèi)損壞情況發(fā)生，應(yīng)在柵極一發(fā)射極之間接一只10kΩ左左的電阻為宜。

此外，由于IGBT模塊為MOS結(jié)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)在用導(dǎo)電材料連接驅(qū)動(dòng)端子的模塊時(shí)，在配線(xiàn)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(xiàn)方法。例如。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5－35℃，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。