IGBT工作原理,解析IGBT工作原理及作用
信息來(lái)源：本站 日期：2017-07-10
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)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(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
通俗來(lái)講:IGBT是一種大功率的電力電子器件，是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān)，IGBT沒(méi)有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開(kāi)時(shí)當(dāng)做開(kāi)路。三大特點(diǎn)就是高壓、大電流、高速。
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（絕緣柵雙極型晶體管）的縮寫(xiě)，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。
IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級(jí)的漏電流流過(guò)，基本上不消耗功率。
IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見(jiàn)下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時(shí)，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。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)熱加劇，選用時(shí)應(yīng)該降等使用。
由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見(jiàn)原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)：
在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，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用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸；
在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊；
盡量在底板良好接地的情況下操作。
在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒(méi)有超過(guò)柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來(lái)傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。
此外，在柵極—發(fā)射極間開(kāi)路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過(guò)，柵極電位升高，集電極則有電流流過(guò)。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。
在使用IGBT的場(chǎng)合，當(dāng)柵極回路不正常或柵極回路損壞時(shí)（柵極處于開(kāi)路狀態(tài)），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。
在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。
IGBT驅(qū)動(dòng)電路的作用主要是將單片機(jī)脈沖輸出的功率進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)IGBT功率器件的目的。在保證IGBT器件可靠、穩(wěn)定、安全工作的前提，驅(qū)動(dòng)電路起到至關(guān)重要的作用。
IGBT的等效電路及符合如圖1所示,IGBT由柵極正負(fù)電壓來(lái)控制。當(dāng)加上正柵極電壓時(shí),管子導(dǎo)通;當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時(shí),管子關(guān)斷。
IGBT具有和雙極型電力晶體管類似的伏安特性,隨著控制電壓UGE的增加,特性曲線上移。開(kāi)關(guān)電源中的IGBT通過(guò)UGE電平的變化,使其在飽和與截止兩種狀態(tài)交替工作。
(1)提供適當(dāng)?shù)恼聪螂妷?使IGBT能可靠地開(kāi)通和關(guān)斷。當(dāng)正偏壓增大時(shí)IGBT通態(tài)壓降和開(kāi)通損耗均下降,但若UGE過(guò)大,則負(fù)載短路時(shí)其IC隨UGE增大而增大,對(duì)其安全不利,使用中選UGEν15V為好。負(fù)偏電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而使IGBT誤導(dǎo)通,一般選UGE=-5V為宜。
(2)IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間應(yīng)綜合考慮。快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率,減小開(kāi)關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下,IGBT的開(kāi)頻率不宜過(guò)大,因?yàn)楦咚匍_(kāi)斷和關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓,及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。
(3)IGBT開(kāi)通后，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和而損壞。
(4)IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗；RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān),一般在幾歐～幾十歐,小容量的IGBT其RG值較大。
(5)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IG2BT的保護(hù)功能。IGBT的控制、 驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配,另外,在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下,G—E斷不能開(kāi)路。
IGBT是一個(gè)三端器件，它擁有柵極G、集電極c和發(fā)射極E。IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)如圖所示。
如圖所示為N溝道VDMOSFFT與GTR組合的N溝道IGBT(N-IGBT)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成丁一個(gè)大面積的PN結(jié)J1。由于IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，因而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，可仗IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。介于P+注入?yún)^(qū)與N-漂移區(qū)之間的N+層稱為緩沖區(qū)。有無(wú)緩沖區(qū)決定了IGBT具有不同特性。有N*緩沖區(qū)的IGBT稱為非對(duì)稱型IGBT，也稱穿通型IGBT。它具有正向壓降小、犬?dāng)鄷r(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部電流小等優(yōu)點(diǎn)，但其反向阻斷能力相對(duì)較弱。無(wú)N-緩沖區(qū)的IGBT稱為對(duì)稱型IGBT，也稱非穿通型IGBT。它具有較強(qiáng)的正反向阻斷能力，但它的其他特性卻不及非對(duì)稱型IGBT。
如圖2-42 (b)所示的簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是由GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的部分是MOSFET驅(qū)動(dòng)，另一部分是厚基區(qū)PNP型晶體管。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP型晶體管，它的簡(jiǎn)化等效電路如圖2-42(b)所示，圖中的RN為PNP晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。從該等效電路可以清楚地看出，IGBT是用晶體管和MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。岡為圖中的晶體管為PNP型晶體管，MOSFET為N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所以這種結(jié)構(gòu)的IGBT稱為N溝道IIGBT，其符號(hào)為N-IGBT。類似地還有P溝道IGBT，即P- IGBT。
IGBT的電氣圖形符號(hào)如圖2-42(c)所示。IGBT是—種場(chǎng)控器件，它的開(kāi)通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間電壓UGE決定，當(dāng)柵射電壓UCE為正且大于開(kāi)啟電壓UCE（th）時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道并為PNP型晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通，此時(shí)，從P+區(qū)注入N-的空穴（少數(shù)載流子）對(duì)N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-區(qū)的電阻RN，使高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當(dāng)柵射極間不加信號(hào)或加反向電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關(guān)斷。由此可知，IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與MOSFET基本相同。
①當(dāng)UCE為負(fù)時(shí)：J3結(jié)處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。
②當(dāng)uCE為正時(shí)：UC< UTH，溝道不能形成，器件呈正向阻斷狀態(tài)；UG>UTH，絕緣門(mén)極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向導(dǎo)通。
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JGBT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)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件（有兩個(gè)極性的器件）。基片的應(yīng)用在管體的P、和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J，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溝道便形成，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)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，則J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整N-與N+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）；一個(gè)空穴電流（雙極）。當(dāng)UCE大于開(kāi)啟電壓UCE(th），MOSFET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，通態(tài)壓降小。所謂通態(tài)壓降，是指IGBT進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降UDS，這個(gè)電壓隨UCS上升而下降。
3)關(guān)斷
當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門(mén)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的電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是閡為換向開(kāi)始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少于）。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?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。集電極電流將引起功耗升高、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Tc、IC：和uCE密切相關(guān)，并且與空穴移動(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。當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。
4)反向阻斷
當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)，J，就會(huì)受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展。因過(guò)多地降低這個(gè)層面的厚度，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。另外，如果過(guò)大地增加這個(gè)區(qū)域的尺寸，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)，J，結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區(qū)巾的耗盡層承受外部施加的電壓。
6)閂鎖
ICBT在集電極與發(fā)射極之間有—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的控制能力降低，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。具體來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生這種缺陷的原因各不相同，但與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。
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