绝缘栅双极晶体管（IGBT）：性能优异的电子器件

绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），简称IGBT。IGBT综合了Power MOSFET和电力晶体管的输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点，并得到迅速发展和广泛应用，成为当前电力半导体器件的发展方向。IGBT在电机控制、中频电源、开关电源及要求快速的中、低压的领域备受青睐，而且其还在继续努力提高电压和电流容量。

2.6.1 IGBT的结构以及工作原理

1.IGBT的结构

绝缘栅双极型晶体管的结构、符号及等效电路如图2-19所示。从图中可见，有一个区域是由NPN组成的，这可以看成MOSFET的源极和栅极之间的部分，另一个区域为PNP结构，即双极型晶体管。IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区晶体管。从图中还可以看到，在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后，可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断较高的反向电压。

图2-19 IGBT的结构、电气符号及等效电路

2.IGBT的工作原理

IGBT是三端口器件，有栅极G、集电极C和发射极E。IGBT的结构是在功率场效应管的漏极一侧附加P+层而构成。IGBT的等效电路如图2-19（c）所示。由图可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0 V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以IGBT栅极与发射极之间的电压、IGBT集电极与发射极之间的电压、流过IGBT集电极与发射极的电流及IGBT的结温四个因素决定。

如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极与发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极的电压超过允许的集电极与发射极之间的耐压，流过IGBT集电极与发射极的电流超过集电极与发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。

2.6.2 IGBT的基本特性

1.静态特性

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射电压UGE为参变量时，集电极电流与集射极电压之间的关系曲线。输出集电极电流受栅射电压UGE的控制，UGE越高，IC越大。它与晶体管的输出特性相似，也可分为饱和区、放大区和截止区部分。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集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅射电压小于开启电压 UGE(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。最高栅射电压受最大集电极电流限制，其最佳值一般取为15 V左右。IGBT的开关特性是指集电极电流与集射电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其值β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 UCE(on)可用下式表示：

式中 Uj1——J1结的正向电压，其值为0.7～1 V；

Udr——扩展电阻Rdr上的压降；

Ron——沟道电阻。

通态电流IC可用下式表示：

式中 Imos——流过MOSFET的电流。(www.xing528.com)

由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1 000 V的IGBT通态压降为2～3 V。IGBT处于断态时，只有很小的漏电流存在。

2.动态特性

IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在集射电压UCE下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和区，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集电极电流开通时间ton为td(on)与tri之和。集射电压的下降时间由tf1和tf2组成，如图2-20所示。

图2-20 开通时IGBT的电流、电压波形

IGBT在关断过程中，集电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，造成集电极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压uCE的上升时间。实际应用中常常给出的集电极电流的下降时间t(f)由图2-21中的tf1和tf2两段组成，而集电极电流的关断时间toff = td(off) + trv + t(f)式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。

图2-21 关断时IGBT电流电压波形

3.IGBT的主要参数

（1）最大集射极间电压UCES决定了器件的最高工作电压，它由内部PNP晶体管的击穿电压确定，具有正温度系数。

（2）最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1 ms脉宽最大电流ICP。

（3）最大集电极功耗PCM：正常工作温度下允许的最大功耗。

（4）最大栅射极电压UGES：栅极电压是由栅氧化层和特性所限制，为了确保长期使用的可靠性，应将栅极电压限制在20 V以下。

4.IGBT的擎住效应和安全工作区

（1）擎住效应。

IGBT为4层结构，其体内存在一个寄生晶闸管。在NPN晶体管的基极与发射极之间，存在一个体区短路电阻。P型区的横向空穴流过该电阻会产生一定压降，对J3结来说相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不大，NPN晶体管不会导通；当IC大到一定程度时，该正偏置电压使NPN晶体管导通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是寄生晶闸管导通，栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后，造成导通状态锁定，无法关断IGBT。因此，IGBT在使用中，应注意防止过高的du/dt和过大的过载电流。

（2）安全工作区。

IGBT的优点之一是没有二次击穿。其正向导通时的安全工作区如图2-22所示。当IGBT正向偏置时，其安全工作区称为正向安全工作区（Forward Biased Safe Operating Area，FBSOA）。FBSOA与IGBT的导通时间密切相关。当导通时间很短时，安全工作区为矩形，随着导通时间的增加，安全工作区逐渐减少，当直流工作时，由于导通时间长，发热严重，安全工作区最小。

图2-22 IGBT正向偏置安全工作区

当IGBT反向偏置时关断，其安全工作区称为反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Operating Area，RBSOA）。IGBT的射极与栅极之间相当于有一个等效电容，当其由导通状态变为截止状态时，电压上升产生的du/dt通过这个小电容与发射级E之间产生一个小的感应电流，使IGBT误导通，产生擎住效应。这是人们不希望的。du/dt越大，安全工作区越小，一般使UGE驱动电压大于5 V即可解决这样的问题。