探析绝缘栅双极型晶体管技术

前面介绍的GTR 和电力MOSFET 各具特色，各有千秋，但是各有不足。GTR 是双极型（两种载流子参与导电）电流驱动型器件，其饱和压降低，通流能力强，但这类器件的开关速度较低、驱动功率较大及控制电路复杂。电力MOSFET 是单极型（只有一种载流子参与导电）电压驱动器件，具有开关速度高、输入阻抗高、热稳定性好、驱动功率小和控制简单等优点，但它存在通态电阻较大和电流容量较小的缺点。这两类器件的特点限制了它们各自的发展及应用范围，为此将它们各自的优点相结合、取长补短，成为了当时电力半导体器件的发展方向。绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT 或IGT）综合了GTR 和MOSFET的优点，自1986 年投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，取代了GTR 和一部分MOSFET的市场，是目前应用极为广泛的新一代自关断电力电子器件。

IGBT 一般为15～400 A、400～1 200 V 器件，硬开关频率达20 kHz，软开关频率达100 kHz。目前高电压大电流的IGBT 可达3 200 V/1 300 A（由德国EUPEC 公司生产），因而不仅逐步取代了GTR 和电力MOSFET，而且也占领了GTO、晶闸管的部分应用领域。

（1）IGBT 的结构和工作原理

IGBT 是具有栅极G、集电极C 和发射极E 三端器件。图1.26 给出了N 沟道MOSFET 与GTR 组合而成的IGBT 的基本结构。从图中的内部结构断面可以看出，IGBT 是在MOSFET 的基础上发展起来的，结构非常相似，但IGBT 比MOSFET 多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N 结J1。这样使IGBT 导通时由P+注入区向N 基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT 具有很强的通流能力。

IGBT 的工作原理与电力MOSFET 基本相同，是场控器件，通断由栅射极电压UGE决定。如图1.26 所示，当施加的电压UGE大于开启电压UGE（th）时，MOSFET 内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通；当栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。图1.26（c）为其电气符号。

图1.26　IGBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号

（2）IGBT 的基本特性

1）转移特性

IGBT 的转移特性用以描述集电极电流IC 与栅射极UGE之间的关系，与电力MOSFET 的转移特性类似，如图1.27 所示。

图1.27　IGBT 的转移特性和输出特性

当集电极发射极间电压UCE为负值时，J3 结处于反偏状态，即使栅极施加正向电压也不可能使IGBT 导通。当集电极发射极间电压UCE为正值时，若UGE大于开启电压UGE（th），导通沟道才能形成，此时J3 结处于正偏状态，器件导通。UGE大于UGE（th）后的大部分范围内，集电极电流IC 与栅射极电压UGE为线性关系。

开启电压UGE（th）是IGBT 能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE（th）随温度升高而略有下降，温度每升高1 ℃，其值下降5 mV 左右。在±25 ℃时，UGE（th）的值一般为2～6 V。UCE的最大值IC 由允许的最大值ICM限定，一般UCE的最佳值为15 V 以上。(www.xing528.com)

2）输出特性

IGBT 的输出特性是描述以栅射极电压UGE为参考变量时，集电极电流IC 与集射极电压UCE之间的关系。此特性与GTR 的输出特性相似，所不同的是参考变量，IGBT 为栅射极电压UGE，而GTR 为基极电流IB。由于PN 结的开启电压不为零，引起IGBT 的输出特性曲线不是始于坐标原点。

IGBT 的输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区，分别与GTR 的截止区、放大区和饱和区相对应。当UCE<0 时，IGBT 处于反向阻断状态；当UCE>0 且UGE<UGE（th）时，IGBT 处于正向阻断状态，即正向阻断区；当UCE>0 且UGE>UGE（th）时，形成导电沟道，IGBT 进入正向导电状态，IC 与UGE呈线性关系，与UCE无关，这部分区域为有源区；输出曲线明显弯曲的部分即为饱和区，此时，IC 与UCE不再是线性关系。在电力电子电路中，IGBT 工作在开关状态，在正向阻断区和饱和区之间转换，需经过有源区过渡。

（3）IGBT 的主要参数

①最大集射极间电压：在室温下，IGBT 所允许的最高集电极-发射极间电压UCER，一般为其击穿电压的60%～80%，其单位为V。

②最大栅射极间电压：在室温下，当IGBT 集电极-发射极间电压为UCER时，栅极-发射极间允许施加的最高电压UGER，一般小于20 V，其单位为V。

③集电极通态电流：在室温下，当IGBT 导通时，集电极允许通过的最大电流的有效值称为IGBT 的额定电流IC，而允许通过的峰值电流用ICM表示，其单位为A。

④集电极最大功耗：在室温下，IGBT 集电极允许的最大功耗PCM，其单位为W。

⑤集射极间饱和电压：在室温下，集电极-发射极间的导通电压降UCE（sat）。一般在3 V 以下，其单位为V。

⑥最大允许结温：IGBT 所允许的最高结温TJM，其单位为℃。

美国IR 公司生产的几种型号IGBT 部分参数如表1.6 所示。

表1.6　美国IR 公司生产的几种型号的IGBT 部分参数