絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

一、IGBT的工作原理

　　電力MOSFET器件是單極型（N溝道MOSFET中僅電子導(dǎo)電、P溝道MOSFET中僅空穴導(dǎo)電）、電壓控制型開關(guān)器件；因此其通、斷驅(qū)動(dòng)控制功率很小，開關(guān)速度快；但通態(tài)降壓大，難于制成高壓大電流開關(guān)器件。電力三極晶體管是雙極型（其中，電子、空穴兩種多數(shù)載流子都參與導(dǎo)電）、電流控制型開關(guān)器件；因此其通-斷控制驅(qū)動(dòng)功率大，開關(guān)速度不夠快；但通態(tài)壓降低，可制成較高電壓和較大電流的開關(guān)器件。為了兼有這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，棄其缺點(diǎn)，20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)了將它們的通、斷機(jī)制相結(jié)合的新一代半導(dǎo)體電力開關(guān)器件——絕緣柵極雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。它是一種復(fù)合器件，其輸入控制部分為MOSFET，輸出級(jí)為雙級(jí)結(jié)型三極晶體管；因此兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)，即高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)到10~40kHz（比電力三極管高），飽和壓降低（比MOSFET 小得多，與電力三極管相當(dāng)），電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)域?qū)?。目?500~3000V、800~1800A的IGBT器件已有產(chǎn)品，可供幾千kVA以下的高頻電力電子裝置選用。

　　圖1為IGBT的符號(hào)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等值電路及靜態(tài)特性。IGBT也有3個(gè)電極：柵極G、發(fā)射極E和集電極C。輸入部分是一個(gè)MOSFET管，圖1中R_dr表示MOSFET的等效調(diào)制電阻（即漏極-源極之間的等效電阻R_DS）。輸出部分為一個(gè)PNP三極管T₁，此外還有一個(gè)內(nèi)部寄生的三極管T₂（NPN管），在NPN晶體管T₂的基極與發(fā)射極之間有一個(gè)體區(qū)電阻R_br。

　　當(dāng)柵極G與發(fā)射極E之間的外加電壓U_GE=0時(shí)，MOSFET管內(nèi)無導(dǎo)電溝道，其調(diào)制電阻R_dr可視為無窮大，Ic=0，MOSFET處于斷態(tài)。在柵極G與發(fā)射極E之間的外加控制電壓U_GE，可以改變MOSFET管導(dǎo)電溝道的寬度，從而改變調(diào)制電阻R_dr，這就改變了輸出晶體管T₁（PNP管）的基極電流，控制了IGBT管的集電極電流Ic。當(dāng)U_GE足夠大時(shí)（例如15V），則T₁飽和導(dǎo)電，IGBT進(jìn)入通態(tài)。一旦撤除U_GE，即U_GE=0，則MOSFET從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)，T₁截止，IGBT器件從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。

二、IGBT的基本特性

1、 靜態(tài)特性

　?。?） 輸出特性：是U_GE一定時(shí)集電極電流Ic與集電極-發(fā)射極電壓U_CE的函數(shù)關(guān)系，即Ic=f（U_CE）。

　　圖1示出IGBT的輸出特性。U_GE=0的曲線對(duì)應(yīng)于IGBT處于斷態(tài)。在線性導(dǎo)電區(qū)I，U_CE增大，Ic增大。在恒流飽和區(qū)Ⅱ，對(duì)于一定的U_GE，U_CE增大，I_C不再隨U_CE而增大。{{分頁}}

　　在U_CE為負(fù)值的反壓下，其特性曲線類似于三極管的反向阻斷特性。

　　為了使IGBT安全運(yùn)行，它承受的外加壓、反向電壓應(yīng)小于圖1（c）中的正、反向折轉(zhuǎn)擊穿電壓。

　?。?） 轉(zhuǎn)移特性：是圖1（d）所示的集電極電流Ic與柵極電壓U_GE的函數(shù)關(guān)系，即Ic=f(U_GE)。

　　當(dāng)U_GE小于開啟閾值電壓U_{GE th}時(shí)，等效MOSFET中不能形成導(dǎo)電溝道；因此IGBT處于斷態(tài)。當(dāng)U_GE>U_{GE th}后，隨著U_GE的增大，Ic顯著上升。實(shí)際運(yùn)行中，外加電壓U_GE的最大值U_GEM一般不超過15V，以限制Ic 不超過IGBT管的允許值I_CM。IGBT在額定電流時(shí)的通態(tài)壓降一般為1.5~3V。其通態(tài)壓降常在其電流較大（接近額定值）時(shí)具有正的溫度系數(shù)（Ic增大時(shí)，管壓降大）；因此在幾個(gè)IGBT并聯(lián)使用時(shí)IGBT器件具有電流自動(dòng)調(diào)節(jié)均流的能力，這就使多個(gè)IGBT易于并聯(lián)使用。

2、  動(dòng)態(tài)特性

　　圖2示出了IGBT的開通和關(guān)斷過程。開通過程的特性類似于MOSFET；因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)間，IGBT大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行。開通時(shí)間由4個(gè)部分組成。開通延遲時(shí)間td是外施柵極脈沖從負(fù)到正跳變開始，到柵-射電壓充電到U_{GE th}的時(shí)間。這以后集電極電流從0開始上升，到90%穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間為電流上升時(shí)間t_ri。在這兩個(gè)時(shí)間內(nèi)，集-射極間電壓U_CE基本不變。此后，U_CE開始下降。下降時(shí)間t_fu1是MOSFET工作時(shí)漏-源電壓下降時(shí)間t_fu2是MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作時(shí)漏-源電壓下降時(shí)間；因此，IGBT開通時(shí)間為     t_on=t_d+t_r+t_fu1+t_fu2。

 

　　開通過程中，在t_d、t_r時(shí)間內(nèi)，柵-射極間電容在外施正電壓作用下充電，且按指數(shù)規(guī)律上升，在t_fu1、t_fu2這一時(shí)間段內(nèi)MOSFET開通，流過對(duì)GTR的驅(qū)動(dòng)電流，柵-射極電壓基本維持IGBT完全導(dǎo)通后驅(qū)動(dòng)過程結(jié)束。柵-射極電壓再次按指數(shù)規(guī)律上升到外施柵極電壓值。

　　IGBT關(guān)斷時(shí)，在外施柵極反向電壓作用下，MOSFET輸入電容放電，內(nèi)部PNP晶體管仍然導(dǎo)通，在最初階段里，關(guān)斷的延遲時(shí)間t_d和電壓U_CE的上升時(shí)間t_r，由IGBT中的MOSFET決定。關(guān)斷時(shí)IGBT和MOSFET的主要差別是電流波形分為t_fi1和t_fi2兩部分，其中，t_fi1由MOSFET決定，對(duì)應(yīng)于MOSFET的關(guān)斷過程；t_fi2由PNP晶體管中存儲(chǔ)電荷所決定。因?yàn)樵趖_fi1末尾MOSFET已關(guān)斷，IGBT又無反向電壓，體內(nèi)的存儲(chǔ)電荷難以被迅速消除；所以漏極電流有較長的下降時(shí)間。因?yàn)榇藭r(shí)漏源電壓已建立，過長的下降時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較大的功耗，使結(jié)溫增高；所以希望下降時(shí)間越短越好。

3、  擎住效應(yīng)

　　由圖1(b)電路可以看到IGBT內(nèi)部的寄生三極管T₂與輸出三極管T₁等效于一個(gè)晶閘管。內(nèi)部體區(qū)電阻R_br上的電壓降為一個(gè)正向偏壓加在寄生三極管T₂的基極和發(fā)射極之間。當(dāng)IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)和處于正常穩(wěn)定通態(tài)時(shí)（ic不超過允許值時(shí)），R_br上的壓降都很小，不足以產(chǎn)生T₂的基極電流，T₂不起作用。但如果ic瞬時(shí)過大，R_br上壓降過大，則可能使T₂導(dǎo)通，而一旦T₂導(dǎo)通，即使撤除門極電壓U_GE，IGBT仍然會(huì)像晶閘管一樣處于通態(tài)，使門極G失去控制作用，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)。在IGBT的設(shè)計(jì)制造時(shí)已盡可能地降低體區(qū)電阻R_br，使IGBT的集電極電流在最大允許值I_CM時(shí)，R_br上的壓降仍小于T₂管的起始導(dǎo)電所必需的正偏壓。但在實(shí)際工作中ic一旦過大，則可能出現(xiàn)擎住效應(yīng)。如果外電路不能限制ic的增長，則可能損壞器件。{{分頁}}

　　除過大的ic可能產(chǎn)生擎住效應(yīng)外，當(dāng)IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如果集電極電源電壓過高，使T₁管漏電流過大，也可能在R_br上產(chǎn)生過高的壓降，使T₂導(dǎo)通而出現(xiàn)擎住效應(yīng)。

　　可能出現(xiàn)擎住效應(yīng)的第三個(gè)情況是：在關(guān)斷過程中，MOSFET的關(guān)斷十分迅速，MOSFET關(guān)斷后圖1(b)中三極管T₂的J₂結(jié)反偏電壓U_BA增大，MOSFET關(guān)斷得越快，集電極電流ic減小得越快，則U_CA=Es-R

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