绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的优势及应用

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）是电压型控制器件，是由单极型和双极型混合组成的复合型全控功率器件。IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，于20世纪90年代初完成第二代产品，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合，通过施加正向栅极电压形成沟道，提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向栅极电压则可消除沟道，使IGBT因流过反向栅极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们的青睐。它的研制成功为提高逆变器的小型化、高效化、低噪声提供了有利的条件。比较而言，IGBT的开关速度低于MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比MOSFET高。目前，IGBT组件模块已取代GTR成为PWM逆变器的核心器件。IGBT的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。商业化的IGBT已发展成系列，电流为2～2400A，耐压为370～6500V。生产IGBT的公司有美国的IR公司、GE公司，日本的三菱公司、东芝公司以及德国的西门子公司等。图11-30为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

图11-30 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

1.IGBT结构

IGBT集MOSFET与GTR优点于一身，在MOSFET基础上增加了一个P＋层漏极，形成PN结J₁，并由此引出漏极（D）、栅极（G）、源极（S），由结构图11-30a可以看出，IGBT相当于一个由N沟道MOSFET驱动的厚基区PNP型GTR，简化等效电路如图11-30b所示，它是以GTR为主导器件，MOSFET为驱动器件的复合管，其中为GTR厚基区N－内的扩展电阻。图11-30c为IGBT电路符号。习惯上也将漏极称为集电极（C），源极称为发射极（E）。

IGBT的开通和关断由栅极（G）控制。当栅极施以正压时，在栅极下的P体区内便形成N沟道，此沟道连通了源区N＋和漂移区N－，为PNP型晶体管提供基流，从而使IGBT导通。此时，从P^＋区注入N－区的空穴（少子）对N－区进行电导调制，减少N－区的电阻R_dr，使高耐压的IGBT也具有与GTR相当的低通态压降，所以IGBT可看做是电导调制场效应晶体管（COMFET）。引起电导调制效应的最低栅极阈值电压U_GE（th）一般为3～6V。当栅极上电压为零或施以负压时，MOSFET的沟道消失，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。

IGBT的四层结构，使体内存在一个寄生晶闸管，其等效电路如图11-33d所示。NPN型晶体管的基极与发射极间的电阻R_br为体区扩展电阻，P型体区横向空穴电流在其上产生的压降对J₃结来说是一个正偏电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏电压不大，NPN型晶体管不起作用（所以图中用虚线表示）。当I_D大到一定程度时，该正偏压能使NPN型晶体管导通，与PNP型晶体管形成正反馈。于是寄生晶体管导通，栅极失去控制作用，这时IGBT无自关断能力（此即擎住或锁定效应），同时漏极电流增大，造成过高的功耗，导致器件损坏。这种漏极电流的连续值超过临界值时产生的擎住效应称为静态擎住效应。

此外，在IGBT高速关断过程中，如dU_DS／dt过大，在J₂结中引起的位移电流流过R_br，产生足以使PNP型晶体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶体管自锁，也可能形成关断擎住，称为动态擎住效应。结构上，在P＋衬底与N－之间引入一个N＋缓冲区就是为了控制擎住效应，并缩短PNP管的开关时间，提高IGBT的开关速度。

IGBT内由于存在少子的存储效应，使其关断存在电流拖尾现象，关断损耗远比MOS-FET大，这限制了其开关频率的提高。

2.IGBT特性

IGBT有与GTR相近的输出特性，也有截止区、饱和区、放大区和击穿区，在导通后的大部分漏极电流范围内，I_c与U_GE成线性关系。

IGBT的优点之一是没有二次击穿，其正向安全工作区由电流、电压、功耗三条边界极限包围而成，最大漏极电流I_DM根据避免动态擎住确定，最大漏源电压U_DSM由IGBT中的PNP型晶体管的击穿电压决定，最大功耗则受限于最高结温（导通时间长，发热严重，安全工作区变窄）；反向安全工作区随关断时的du_CE／dt而变，du_CE／dt越大，反向安全工作区越窄。

IGBT能承受过电流的时间通常仅为几微秒，这与GTR（几十微秒）相比小得多，因此对过电流保护要求很高。(www.xing528.com)

图11-31所示为IGBT伏安特性和短路特性。由图可见，若U_GE不变，导通电压U_GE将随漏极电流增大而增高，因此可用检测漏源电压U_DS（U_GE）作为是否过电流的判别信号；若U_GE增加，则通态电压下降，导通损耗将减小。

此外，IGBT允许过载能力与U_GE有关。图11-31b为50A／900V IGBT的U_GE与短路电流I_CS及短路时间t_CS的关系曲线。由曲线可以看出，当U_GE=15V时，在5μs（A点）内可承受250A的短路电流（B点）；当U_GE由15V降为10V时，则过电流承受时间为15μs（A′点），过电流幅值也由250A降至100A（B′点）。

新一代的IGBT（单硅型，没有扩散的N＋层，也称IGHT），由于采取精心设计和采用特殊工艺，已能做到不必使用RCD缓冲电路，具有矩形反向SOA，不必负压关断，并联时能自动均流，短路电流可自动抑制，并且损耗不随温度正比增加。

3.IGBT驱动电路

IGBT以MOSFET为输入级，所以MOSFET的驱动电路同样适用于IGBT。这里介绍一个专用于IGBT的驱动电路。对具有短路保护功能的驱动电路有如下几点要求：

1）正常导通时，U_GE＞（1.5～2.5）U_GE（th），以降低饱和压降U_CE（s）和运行结温；关断时加－10～－5V负偏压，以防止关断瞬间因du／dt过高引起擎住现象，造成误导通，并提高抗干扰能力，减少关断损耗。

2）出现短路或瞬时大幅值电流时，立即将U_GE由15V降至10V，IGBT进入放大区，U_CE上升，短路电流受限，使允许短路的时间由5μs增加到15μs；瞬时过电流结束时随即自动使U_GE由10V恢复到15V。

3）如故障电流为持续过电流，应在降栅压后6～12μs，使U_GE由10V经2～5μs，软关断下降至低于U_GE（th）。

HL402是IGBT的一种厚膜驱动器，图11-32为HL402驱动电路。VLC为带静电屏蔽的高速光耦，实现与输入信号电隔离，提高抗共模干扰能力。AMP为脉冲放大器，晶体管VT₁、VT₂为驱动脉冲功放。N为降栅压比较器，当端9输入IGBT的U_GE高于N的基准电压U_REF时，N翻转，输出正电位使晶体管VT₃导通，由稳压管VZ₁将驱动器输出电压U_GE降低到10V。T为软关断定时器，当N翻转达设定的时间后，T输出正电压使晶体管VT₄导通，并将U_GE软关断降到IGBT的U_GE（th）以下。

图11-31 IGBT伏安特性和短路特性