IGBT工作原理,解析IGBT工作原理及作用
信息來源：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(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
通俗來講:IGBT是一種大功率的電力電子器件，是一個非通即斷的開關，IGBT沒有放大電壓的功能，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。三大特點就是高壓、大電流、高速。
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（絕緣柵雙極型晶體管）的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，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點，既具有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的優點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優點，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，在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用，在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。
IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發射極之間電壓為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—發射極間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。
IGBT模塊的電壓規格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關。其相互關系見下表。使用中當IGBT模塊集電極電流增大時，所產生的額定損耗亦變大。同時，開關損耗增大，使原件發熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應大于負載電流。特別是用作高頻開關時，由于開關損耗增大，發熱加劇，選用時應該降等使用。
由于IGBT模塊為MOSFET結構，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發射極實現電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達到20～30V。因此因靜電而導致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點：
在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅動端子部分，當必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后，再觸摸；
在用導電材料連接模塊驅動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊；
盡量在底板良好接地的情況下操作。
在應用中有時雖然保證了柵極驅動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯小電阻也可以抑制振蕩電壓。
此外，在柵極—發射極間開路時，若在集電極與發射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發熱及至損壞。
在使用IGBT的場合，當柵極回路不正常或柵極回路損壞時（柵極處于開路狀態），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止此類故障，應在柵極與發射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。
在安裝或更換IGBT模塊時，應十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風扇，當散熱風扇損壞中散熱片散熱不良時將導致IGBT模塊發熱，而發生故障。因此對散熱風扇應定期進行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應器，當溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。
IGBT驅動電路的作用主要是將單片機脈沖輸出的功率進行放大，以達到驅動IGBT功率器件的目的。在保證IGBT器件可靠、穩定、安全工作的前提，驅動電路起到至關重要的作用。
IGBT的等效電路及符合如圖1所示,IGBT由柵極正負電壓來控制。當加上正柵極電壓時,管子導通;當加上負柵極電壓時,管子關斷。
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。開關電源中的IGBT通過UGE電平的變化,使其在飽和與截止兩種狀態交替工作。
(1)提供適當的正反向電壓,使IGBT能可靠地開通和關斷。當正偏壓增大時IGBT通態壓降和開通損耗均下降,但若UGE過大,則負載短路時其IC隨UGE增大而增大,對其安全不利,使用中選UGEν15V為好。負偏電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通,一般選UGE=-5V為宜。
(2)IGBT的開關時間應綜合考慮。快速開通和關斷有利于提高工作頻率,減小開關損耗。但在大電感負載下,IGBT的開頻率不宜過大,因為高速開斷和關斷會產生很高的尖峰電壓,及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。
(3)IGBT開通后，驅動電路應提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和而損壞。
(4)IGBT驅動電路中的電阻RG對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，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT誤導通或損壞。RG的具體數據與驅動電路的結構及IGBT的容量有關,一般在幾歐～幾十歐,小容量的IGBT其RG值較大。
(5)驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IG2BT的保護功能。IGBT的控制、 驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配,另外,在未采取適當的防靜電措施情況下,G—E斷不能開路。
IGBT是一個三端器件，它擁有柵極G、集電極c和發射極E。IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號如圖所示。
如圖所示為N溝道VDMOSFFT與GTR組合的N溝道IGBT(N-IGBT)的內部結構斷面示意圖。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區，形成丁一個大面積的PN結J1。由于IGBT導通時由P+注入區向N基區發射少子，因而對漂移區電導率進行調制，可仗IGBT具有很強的通流能力。介于P+注入區與N-漂移區之間的N+層稱為緩沖區。有無緩沖區決定了IGBT具有不同特性。有N*緩沖區的IGBT稱為非對稱型IGBT，也稱穿通型IGBT。它具有正向壓降小、犬斷時間短、關斷時尾部電流小等優點，但其反向阻斷能力相對較弱。無N-緩沖區的IGBT稱為對稱型IGBT，也稱非穿通型IGBT。它具有較強的正反向阻斷能力，但它的其他特性卻不及非對稱型IGBT。
如圖2-42 (b)所示的簡化等效電路表明，IGBT是由GTR與MOSFET組成的達林頓結構，該結構中的部分是MOSFET驅動，另一部分是厚基區PNP型晶體管。
簡單來說，IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區PNP型晶體管，它的簡化等效電路如圖2-42(b)所示，圖中的RN為PNP晶體管基區內的調制電阻。從該等效電路可以清楚地看出，IGBT是用晶體管和MOSFET組成的達林頓結構的復合器件。岡為圖中的晶體管為PNP型晶體管，MOSFET為N溝道場效應晶體管，所以這種結構的IGBT稱為N溝道IIGBT，其符號為N-IGBT。類似地還有P溝道IGBT，即P- IGBT。
IGBT的電氣圖形符號如圖2-42(c)所示。IGBT是—種場控器件，它的開通和關斷由柵極和發射極間電壓UGE決定，當柵射電壓UCE為正且大于開啟電壓UCE（th）時，MOSFET內形成溝道并為PNP型晶體管提供基極電流進而使IGBT導通，此時，從P+區注入N-的空穴（少數載流子）對N-區進行電導調制，減小N-區的電阻RN，使高耐壓的IGBT也具有很小的通態壓降。當柵射極間不加信號或加反向電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關斷。由此可知，IGBT的驅動原理與MOSFET基本相同。
①當UCE為負時：J3結處于反偏狀態，器件呈反向阻斷狀態。
②當uCE為正時：UC< UTH，溝道不能形成，器件呈正向阻斷狀態；UG>UTH，絕緣門極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區產生電導調制，使器件正向導通。
1)導通
IGBT硅片的結構與功率MOSFET的結構十分相似，主要差異是JGBT增加了P+基片和一個N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件（有兩個極性的器件）。基片的應用在管體的P、和N+區之間創建了一個J，結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道便形成，同時出現一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0.7V范圍內，則J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區內，并調整N-與N+之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結果是在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流（MOSFET電流）；一個空穴電流（雙極）。當UCE大于開啟電壓UCE(th），MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。
2)導通壓降
電導調制效應使電阻RN減小，通態壓降小。所謂通態壓降，是指IGBT進入導通狀態的管壓降UDS，這個電壓隨UCS上升而下降。
3)關斷
當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在任何情況下，如果MOSFET的電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是閡為換向開始后，在N層內還存在少數的載流子（少于）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，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。集電極電流將引起功耗升高、交叉導通問題，特別是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。
鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的Tc、IC：和uCE密切相關，并且與空穴移動性有密切的關系。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。當柵極和發射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。
4)反向阻斷
當集電極被施加一個反向電壓時，J，就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以這個機制十分重要。另外，如果過大地增加這個區域的尺寸，就會連續地提高壓降。
5)正向阻斷
當柵極和發射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，J，結受反向電壓控制。此時，仍然是由N漂移區巾的耗盡層承受外部施加的電壓。
6)閂鎖
ICBT在集電極與發射極之間有—個寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極與發射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為IGBT閂鎖。具體來說，產生這種缺陷的原因各不相同，但與器件的狀態有密切關系。
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