IGBT的原理和基本特性

IGBT的原理和基本特性

IGBT的原理

绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）综合了电力晶体管（Giant Transistor—GTR）和电力场效应晶体管（Power MOSFET）的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。

　电力MOSFET器件是单极型（N沟道MOSFET中仅电子导电、P沟道MOSFET中仅空穴导电）、电压控制型开关器件；因此其通、断驱动控制功率很小，开关速度快；但通态降压大，难于制成高压大电流开关器件。电力三极晶体管是双极型（其中，电子、空穴两种多数载流子都参与导电）、电流控制型开关器件；因此其通-断控制驱动功率大，开关速度不够快；但通态压降低，可制成较高电压和较大电流的开关器件。为了兼有这两种器件的优点，弃其缺点，20世纪80年代中期出现了将它们的通、断机制相结合的新一代半导体电力开关器件——绝缘栅极双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。它是一种复合器件，其输入控制部分为MOSFET，输出级为双级结型三极晶体管；因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点，即高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达到10~40kHz（比电力三极管高），饱和压降低（比MOSFET 小得多，与电力三极管相当），电压、电流容量较大，安全工作区域宽。目前2500~3000V、800~1800A的IGBT器件已有产品，可供几千kVA以下的高频电力电子装置选用。
　　图1为IGBT的符号、内部结构等值电路及静态特性。IGBT也有3个电极：栅极G、发射极E和集电极C。输入部分是一个MOSFET管，图1中Rdr表示MOSFET的等效调制电阻（即漏极-源极之间的等效电阻RDS）。输出部分为一个PNP三极管T1，此外还有一个内部寄生的三极管T2（NPN管），在NPN晶体管T2的基极与发射极之间有一个体区电阻Rbr。
　　当栅极G与发射极E之间的外加电压UGE=0时，MOSFET管内无导电沟道，其调制电阻Rdr可视为无穷大，Ic=0，MOSFET处于断态。在栅极G与发射极E之间的外加控制电压UGE，可以改变MOSFET管导电沟道的宽度，从而改变调制电阻Rdr，这就改变了输出晶体管T1（PNP管）的基极电流，控制了IGBT管的集电极电流Ic。当UGE足够大时（例如15V），则T1饱和导电，IGBT进入通态。一旦撤除UGE，即UGE=0，则MOSFET从通态转入断态，T1截止，IGBT器件从通态转入断态。

二、IGBT的基本特性
　　
1、 静态特性

　　　（1） 输出特性：是UGE一定时集电极电流Ic与集电极-发射极电压UCE的函数关系，即Ic=f（UCE）。
　　图1示出IGBT的输出特性。UGE=0的曲线对应于IGBT处于断态。在线性导电区I，UCE增大，Ic增大。在恒流饱和区Ⅱ，对于一定的UGE，UCE增大，IC不再随UCE而增大。{{分页}}
　　在UCE为负值的反压下，其特性曲线类似于三极管的反向阻断特性。
　　为了使IGBT安全运行，它承受的外加压、反向电压应小于图1（c）中的正、反向折转击穿电压。
　　（2） 转移特性：是图1（d）所示的集电极电流Ic与栅极电压UGE的函数关系，即Ic=f(UGE)。
　　当UGE小于开启阈值电压UGE th时，等效MOSFET中不能形成导电沟道；因此IGBT处于断态。当UGE>UGE th后，随着UGE的增大，Ic显著上升。实际运行中，外加电压UGE的最大值UGEM一般不超过15V，以限制Ic 不超过IGBT管的允许值ICM。IGBT在额定电流时的通态压降一般为1.5~3V。其通态压降常在其电流较大（接近额定值）时具有正的温度系数（Ic增大时，管压降大）；因此在几个IGBT并联使用时IGBT器件具有电流自动调节均流的能力，这就使多个IGBT易于并联使用。
　　
2、 动态特性

　　　图2示出了IGBT的开通和关断过程。开通过程的特性类似于MOSFET；因为在这个区间，IGBT大部分时间作为MOSFET运行。开通时间由4个部分组成。开通延迟时间td是外施栅极脉冲从负到正跳变开始，到栅-射电压充电到UGE th的时间。这以后集电极电流从0开始上升，到90%稳态值的时间为电流上升时间tri。在这两个时间内，集-射极间电压UCE基本不变。此后，UCE开始下降。下降时间tfu1是MOSFET工作时漏-源电压下降时间tfu2是MOSFET和PNP晶体管同时工作时漏-源电压下降时间；因此，IGBT开通时间为 ton=td+tr+tfu1+tfu2。
　　开通过程中，在td、tr时间内，栅-射极间电容在外施正电压作用下充电，且按指数规律上升，在tfu1、tfu2这一时间段内MOSFET开通，流过对GTR的驱动电流，栅-射极电压基本维持IGBT完全导通后驱动过程结束。栅-射极电压再次按指数规律上升到外施栅极电压值。
　　IGBT关断时，在外施栅极反向电压作用下，MOSFET输入电容放电，内部PNP晶体管仍然导通，在最初阶段里，关断的延迟时间td和电压UCE的上升时间tr，由IGBT中的MOSFET决定。关断时IGBT和MOSFET的主要差别是电流波形分为tfi1和tfi2两部分，其中，tfi1由MOSFET决定，对应于MOSFET的关断过程；tfi2由PNP晶体管中存储电荷所决定。因为在tfi1末尾MOSFET已关断，IGBT又无反向电压，体内的存储电荷难以被迅速消除；所以漏极电流有较长的下降时间。因为此时漏源电压已建立，过长的下降时间会产生较大的功耗，使结温增高；所以希望下降时间越短越好。
　　
3、 擎住效应

　　　由图1(b)电路可以看到IGBT内部的寄生三极管T2与输出三极管T1等效于一个晶闸管。内部体区电阻Rbr上的电压降为一个正向偏压加在寄生三极管T2的基极和发射极之间。当IGBT处于截止状态和处于正常稳定通态时（ic不超过允许值时），Rbr上的压降都很小，不足以产生T2的基极电流，T2不起作用。但如果ic瞬时过大，Rbr上压降过大，则可能使T2导通，而一旦T2导通，即使撤除门极电压UGE，IGBT仍然会像晶闸管一样处于通态，使门极G失去控制作用，这种现象称为擎住效应。在IGBT的设计制造时已尽可能地降低体区电阻Rbr，使IGBT的集电极电流在最大允许值ICM时，Rbr上的压降仍小于T2管的起始导电所必需的正偏压。但在实际工作中ic一旦过大，则可能出现擎住效应。如果外电路不能限制ic的增长，则可能损坏器件。{{分页}}
　　除过大的ic可能产生擎住效应外，当IGBT处于截止状态时，如果集电极电源电压过高，使T1管漏电流过大，也可能在Rbr上产生过高的压降，使T2导通而出现擎住效应。
　　可能出现擎住效应的第三个情况是：在关断过程中，MOSFET的关断十分迅速，MOSFET关断后图1(b)中三极管T2的J2结反偏电压UBA增大，MOSFET关断得越快，集电极电流ic减小得越快，则UCA=Es-R