全控型器件：绝缘栅双极晶体管

GTR 和GTO 的特点是双极型、电流驱动、有电导调制效应、通流能力很强、开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET 的优点是单极型、电压驱动、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。将两类器件相结合，取长补短产生了复合器件——Bi-MOS 器件。

绝缘栅双极晶体管（IGBT 或IGT）是由GTR 和MOSFET 复合而成，它结合了二者的优点，所以具有良好的特性，自1986 年投入市场后，逐渐占有了GTR 和一部分MOSFET 的市场，是中小功率电力电子设备的主导器件，若继续提高电压和电流容量，则可取代GTO。

1.IGBT 的结构和工作原理

IGBT 是一种三端器件： 栅极G、集电极C 和发射极E。

图2.13 （a）所示为N 沟道VDMOSFET 与GTR 组合而成的N 沟道IGBT （N-IGBT），IGBT 比VDMOSFET 多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N 结J1，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。

简化等效电路表明，IGBT 是GTR 与MOSFET 组成的达林顿结构，是由MOSFET 驱动的厚基区PNP 晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。

图2.13　绝缘栅双极晶体管IGBT

（a）内部结构断面示意图； （b）简化等效电路； （c）电气图形符号

IGBT 的驱动原理与电力MOSFET 基本相同，场控器件，通断由栅射极电压UGE决定，当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，由于电导调制效应使电阻RN减小，IGBT 的通态压降较小； 当栅射极间被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 被关断。

2.IGBT 的基本特性

1）IGBT 的静态特性（图2.14）

图2.14　IGBT 的静态特性

（a）转移特性； （b）输出特性

（1）转移特性——IC与UGE的关系，与MOSFET 转移特性类似；

UGE为开启电压，即IGBT 能实现电导调制而导通的最低栅射电压，UGE随温度升高而略有下降，在+25 ℃时，UGE的值一般为2～6 V；

（2）输出特性（伏安特性）——以UGE为参考变量时，IC与UGE的关系分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区，分别与GTR 的截止区、放大区和饱和区对应。

当UGE<0 时，IGBT 为反向阻断工作状态。

2）IGBT 的导通过程

IGBT 的导通情况与MOSFET 相似，因为开通过程中IGBT 在大部分时间作为MOSFET运行。

图2.15　IGBT 的动态特性

开通延迟时间td（on）——从UGE上升至其幅值10％ 的时刻，到IC上升至10％ ICM，如图2.15所示；

电流上升时间tr——IC从10％ICM上升至90％ICM所需时间；

开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和。

UGE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。(www.xing528.com)

tfv1——IGBT 中MOSFET 单独工作电压下降过程；

tfv2——MOSFET 和PNP 晶体管同时工作的电压下降过程。

3）IGBT 的关断过程

关断延迟时间td（off）——从uGE后沿下降到其幅值90％的时刻起，到IC下降至90％ICM；

电流下降时间——IC从 90％ ICM下降至10％ICM；

关断时间toff——关断延迟时间与电流下降时间之和。

电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段，tfi1——IGBT 内部的MOSFET 的关断过程，iC下降较快； tfi2——IGBT 内部的PNP 晶体管的关断过程，IC下降较慢。

IGBT 中双极型PNP 晶体管的存在，虽然具有电导调制效应，但引入了少子储存现象，因而IGBT 的开关速度低于电力MOSFET，IGBT 的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折中的参数。

3.IGBT 的主要参数

（1）最大集射极间电压UCES——由内部PNP 晶体管的击穿电压确定；

（2）最大集电极电流ICM——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.IGBT 的主要特点

（1）开关速度高，开关损耗小，在电压为1 000 V 以上时，开关损耗只有GTR 的1/10，与电力MOSFET 相当；

（2）相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR 大，且具有耐脉冲电流冲击的能力；

（3）通态压降比VDMOSFET 低，特别是在电流较大的区域；

（4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET 类似；

（5）与MOSFET 和GTR 相比，IGBT 的耐压和通流能力可以进一步被提高，同时还可以保持较高的开关频率。

5.IGBT 的擎住效应和安全工作区（图2.16）

擎住效应或自锁效应： NPN 晶体管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结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控，动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。

图2.16　IGBT 安全工作区

（a）FBSOA； （b）RBSOA

正偏安全工作区（FBSOA）由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定； 反向偏置安全工作区（RBSOA）由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt 确定，擎住效应曾限制IGBT 电流容量提高，20 世纪90 年代中后期开始逐渐解决，IGBT 往往与反并联的快速二极管封装在一起，被制成模块，成为逆导器件。