高性能绝缘栅双极型晶体管技术

电力晶体管（GTR）属于双极型电流驱动器件，其优点是通流能力很强，但不足之处是开关速度相对低，驱动功率大，驱动电路复杂。而P-MOSFET是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快，输入阻抗高，所需驱动功率小，而且驱动电路简单；缺点是导通压降大。于是有人提出将这两类器件的优点，即GTR的低导通压降与P-MOSFET的高输入阻抗结合起来，制成复合型器件，通常称为Bi-MOS器件，即绝缘栅双极型晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT）。它综合了GTR和P-MOSFET的优点，因而具有低导通压降和高输入阻抗的综合优点。它自投入市场以来，应用领域现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。当前IGBT应用水平已达到：2500～6500V，600～2500A。

1.IGBT的结构和工作原理

IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。图1-34a所示为一种由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。与图1-28a对照可以看出，IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的P+N+结J₁。这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少数载流子，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，其简化等效电路如图1-34b所示，可以看出这是双极型晶体管与P-MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由P-MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管。图中R_N为晶体管基区内的调制电阻。因此，IGBT的驱动原理与P-MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅极和发射极间的电压U_GE决定的，当U_GE为正且大于开启电压U_GE（th）时，P-MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。当栅极与发射极之间施加反向电压或不加电压时，P-MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。

上面介绍的PNP型晶体管与N沟道P-MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1-34c所示。N-IGBT和P-IGBT统称为IGBT。由于实际应用中以N沟道IGBT为多。因此下面仍以N沟道IGBT为例进行介绍。

图1-34 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

a）内部结构断面示意图 b）简化等效电路 c）电气图形符号

2.IGBT的基本特性

1）静态特性。图1-35a所示为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流I_C与栅射电压U_GE之间的关系，与P-MOSFET的转移特性类似。开启电压U_GE（th）是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。U_GE（th）随温度升高而略有下降，温度每升高1℃，其值下降5mV左右。在25℃时，U_GE（th）的值一般为2～6V。

图1-35b所示为IGBT的输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流I_C与集射极间电压U_CE之间的关系。此特性与GTR的输出特性相似，不同的是参考变量，IGBT为栅射电压U_GE，而GTR为基极电流I_B。IGBT的输出特性也分为3个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。此外，当u_CE＜0时，IGBT为反向阻断工作状态。在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。

图1-35 IGBT的转移特性和输出特性

a）转移特性 b）输出特性

2）动态特性。图1-36所示为IGBT开关过程的波形图。IGBT的开通过程与P-MOSFET的开通过程很相似，这是因为IGBT在开通过程中大部分时间是作为P-MOSFET来工作的。如图所示，从驱动电压U_GE的前沿上升至其幅值的10%的时刻起，到集电极电流I_C上升至其幅值的10%的时刻止，这段时间为开通延迟时间t_d（on）。而I_C从10%I_CM上升至90%I_CM所需时间为电流上升时间t_r。同样，开通时间为开通延迟时间t_on与电流上升时间t_r之和。开通时，集射电压U_CE的下降过程分为t_fv1和t_fv2两段。前者为IGBT中P-MOSFET单独工作的电压下降过程；后者为P-MOSFET和PNP型晶体管同时工作的电压下降过程。由于U_CE下降时IG-BT中P-MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP型晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此t_fv2段电压下降过程变缓。只有在t_fv2段结束时，IGBT才完全进入饱和状态。

图1-36 IGBT的开关过程

IGBT关断时，从驱动电压U_GE的脉冲后沿下降到其幅值的90%的时刻起，到集电极电流下降至90%I_CM止，这段时间为关断延迟时间t_d（off）。集电极电流从90%I_CM下降至10%I_CM的这段时间为电流下降时间t_f。二者之和为关断时间t_off。电流下降时间可以分为t_fi1和t_fi2两段。其中t_fi1对应IGBT内部的P-MOSFET的关断过程，这段时间集电极电流I_C下降较快；t_fi2对应IGBT内部的PNP型晶体管的关断过程，这段时间内P-MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少数载流子复合缓慢，造成I_C下降较慢。由于此时集射电压已经建立，因此较长的电流下降时间会产生较大的关断损耗。为解决这一问题，可以与GTR一样通过减轻饱和程度来缩短电流下降时间，不过同样也需要与通态压降折中。

可以看出，IGBT中双极型PNP型晶体管的存在，虽然带来电导调制效应的好处，但也引入了少数载流子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于P-MOSFET。

此外，IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折中的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。(www.xing528.com)

3.IGBT的主要参数

除了前面提到的各参数之外，IGBT的主要参数还包括：

1）最大集射极间电压U_CES：这是由器件内部的PNP型晶体管所能承受的击穿电压所确定的。

2）最大集电极电流：包括额定直流电流I_C和1ms脉宽最大电流I_CP。

3）最大集电极功耗P_CM：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

IGBT的特性和参数特点如下：

1）IGBT开关速度高，开关损耗小。有关资料表明，在电压1000V以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与P-MOSFET相当。

2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

3）IGBT的通态压降比P-MOSFET低，特别是在电流较大的区域。

4）IGBT的输入阻抗高，其输入特性与P-MOSFET类似。

5）与P-MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。

4.IGBT的擎住效应和安全工作区

回顾图1-34所示的IGBT结构可以发现，在IGBT内部寄生着一个N-PN+型晶体管和作为主开关器件的P⁺N^-P型晶体管组成的寄生晶闸管。其中N^-PN⁺型晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J₃结施加一个正向偏压，在额定集电极电流范围内，这个偏压很小，不足以使J₃开通，然而一旦J₃开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功耗过高而损坏。这种电流失控的现象，就像普通晶闸管被触发以后，即使撤消触发信号晶闸管仍然因进入正反馈过程而维持导通的机理一样，因此被称为擎住效应或自锁效应。引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），也可能是du_CE/dt过大（动态擎住效应），温度升高也会加重发生擎住效应的危险。

动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。

根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗可以确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作区（Forward Biased Safe Opera ting Area，FB-SOA）；根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率du_CE/dt可以确定IGBT在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Oper-ating Area，RBSOA）。

擎住效应曾经是限制IGBT电流容量进一步提高的主要因素之一，但经过多年的努力，自20世纪90年代中后期开始，这个问题已得到了极大的改善，促进了IGBT研究和制造水平的迅速提高。

此外，为满足实际电路中的要求，IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起制成模块，成为逆导器件，选用时应加以注意。