IGBT是什么？都有哪些特點(diǎn)？

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2022-11-29 09:00:55 678

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）也稱為：絕緣柵雙極晶體管，IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為*戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件,IGBT綜合了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動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、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

方法

IGBT是將強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然*新一代功率MOSFET 器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅(qū)動器的原理圖。

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IGBT增加了P+ 基片和一個(gè)N+ 緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個(gè)部分)。其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動兩個(gè)雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1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)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動了第二個(gè)電荷流。*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)。

關(guān)斷

當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時(shí)，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)。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，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。

鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(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。

阻斷與閂鎖

當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個(gè)層面的厚度，將無法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機(jī)制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個(gè)區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。第二點(diǎn)清楚地說明了NPT器件的壓降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的壓降高的原因。

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)，P/N J3結(jié)受反向電壓控制，此時(shí)，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。

IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)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(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：

當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)，只在關(guān)斷時(shí)才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū)。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極*大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。

靜態(tài)特性

IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。

IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。*高柵源電壓受*大漏極電流限制，其*佳值一般取為15V左右。

動態(tài)特性

動態(tài)特性又稱開關(guān)特性，IGBT的開關(guān)特性分為兩大部分：一是開關(guān)速度，主要指標(biāo)是開關(guān)過程中各部分時(shí)間；另一個(gè)是開關(guān)過程中的損耗。

IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示：：

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。

通態(tài)電流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。

IGBT 在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on) 為開通延遲時(shí)間，tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間ton 即為td (on) tri 之和，漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1 和tfe2 組成。

IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。

IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中：td(off)與trv之和又稱為存儲時(shí)間。

IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級達(dá)到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1um以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進(jìn)展。2013年9月12日我國自主研發(fā)的高壓大功率3300V/50A IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）芯片及由此芯片封裝的大功率1200A/3300V IGBT模塊通過專家鑒定，中國自此有了完全自主的IGBT“中國芯”。

除了IGBT外，功率半導(dǎo)體元器件（晶體管領(lǐng)域）的代表產(chǎn)品還有MOSFET、BIPOLAR等，它們主要被用作半導(dǎo)體開關(guān)。
根據(jù)其分別可支持的開關(guān)速度，BIPOLAR適用于中速開關(guān)，MOSFET則適用于高頻領(lǐng)域。
IGBT是輸入部為MOSFET結(jié)構(gòu)、輸出部為BIPOLAR結(jié)構(gòu)的元器件，通過這兩者的復(fù)合化，既是使用電子與空穴兩種載體的雙極元件，同時(shí)也是兼顧低飽和電壓（與功率MOSFET的低導(dǎo)通電阻相當(dāng)）和較快的開關(guān)特性的晶體管。
盡管其具有較快的開關(guān)特性，但仍比不上功率MOSFET，這是IGBT的弱點(diǎn)。

【功率元器件的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)】

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