绝缘栅双极型晶体管IGBT基础知识

    结构

    igbt结构图左边所示为一个n沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， n+区称为源区，附于其上的电极称为源极。p+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的p型区(包括p+和p-区)(沟道在该区域形成)，称为亚沟道区(subchannel region)。而在漏区另一侧的p+区称为漏注入区(drain injector)，它是igbt特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成pnp双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

    igbt的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给pnp(原来为npn)晶体管提供基极电流，使igbt导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使igbt关断。igbt的驱动方法和mosfet基本相同，只需控制输入极n-沟道mosfet，所以具有高输入阻抗特性。当mosfet的沟道形成后，从p+基极注入到n-层的空穴(少子)，对n-层进行电导调制，减小n-层的电阻，使igbt在高电压时，也具有低的通态电压。

    工作特性

    igbt 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

    igbt 的伏安特性是指以栅源电压ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压ugs 的控制，ugs 越高， id 越大。它与gtr 的输出特性相似.也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的igbt ，正向电压由j2 结承担，反向电压由j1结承担。如果无n+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入n+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了igbt 的某些应用范围。

    igbt 的转移特性是指输出漏极电流id 与栅源电压ugs 之间的关系曲线。它与mosfet 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压ugs(th) 时，igbt 处于关断状态。在igbt 导通后的大部分漏极电流范围内， id 与ugs呈线性关系。 高栅源电压受 大漏极电流限制，其 佳值一般取为15v左右。

    igbt 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。igbt 处于导通态时，由于它的pnp 晶体管为宽基区晶体管，所以其b 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过mosfet 的电流成为igbt 总电流的主要部分。此时，通态电压uds(on) 可用下式表示

    uds(on) = uj1 + udr + idroh

    式中uj1 —— ji 结的正向电压，其值为0.7 ～1v ;udr ——扩展电阻rdr 上的压降;roh ——沟道电阻。

    通态电流ids 可用下式表示：

    ids=(1+bpnp)imos

    式中imos ——流过mosfet 的电流。

    由于n+ 区存在电导调制效应，所以igbt 的通态压降小，耐压1000v的igbt 通态压降为2 ～ 3v 。igbt 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。

    动态特性

    igbt 在开通过程中，大部分时间是作为mosfet 来运行的，只是在漏源电压uds 下降过程后期， pnp 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。

    igbt的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为igbt栅极- 发射极阻抗大，故可使用mosfet驱动技术进行触发，不过由于igbt的输入电容较mosfet为大，故igbt的关断偏压应该比许多mosfet驱动电路提供的偏压更高。

    igbt在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为mosfet关断后，pnp晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间

    t(off)=td(off)+trv十t(f)

    式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。

    igbt的开关速度低于mosfet，但明显高于gtr。igbt在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。igbt的开启电压约3～4v，和mosfet相当。igbt导通时的饱和压降比mosfet低而和gtr接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

    正式商用的igbt器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求;高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10kv以上，目前只能通过igbt高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士abb公司采用软穿通原则研制出了8kv的igbt器件，德国的eupec生产的6500v/600a高压大功率igbt器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发igbt的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1um以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。

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