什么是IGBT?
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣三雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式電力電子器件。應用于交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。絕緣柵雙極晶體管（ IGBT ）將MOS柵極易驅動性和低傳導損耗結合在一起，并正在迅速取代功率雙極晶體管作為高電流和高電壓應用設備的選擇。艱難的在開關速度和導通損耗之間權衡，這種境況現在正被很好的轉變，IGBT正在蠶食高頻率，高效率的功率MOSFET領地。事實上，行業(yè)的趨勢是在除了非常低電流的應用以外，用IGBT取代功率MOSFET。
如何選擇IGBT
本節(jié)是有意擺在技術講解之前的。回答下列的重要問題，將有助于為特定的應用選擇適當的IGBT。 非穿通（NPT）和穿通(PT)器件之間的差異，以及術語和圖表將稍后解釋。
1. 什么是工作電壓？ IGBT的關斷電壓最高應不超過VCES的80%。
2. 這是硬或軟開關？PT器件更適合于軟開關，因其可以減少尾電流，但是，NPT器件將一直工作。
3.流過IGBT的電流都有什么？首先用簡短的語言對用到的電流做一個大致的介紹。對于硬開關應用，頻率—電流圖很有用，可幫助確定器件是否適合應用。在應用時需要考慮到數據表由于測試條件不同而存在的差異，如何做到這一點稍后將有一個例子。對于軟開關應用，可從IC2開始著手。
4.什么是理想的開關速度？如果答案是“更高，更好”，那么PT器件是最好的選擇。同樣，使用頻率—電流圖可以幫助選擇硬開關應用的器件。
5.短路承受能力必要嗎？對于應用如馬達驅動器，答案是肯定的，而且開關頻率也往往是相對較低。這時將需要NPT器件。開關電源往往不需要短路耐受力。
IGBT概述
一個N溝道IGBT基本上是一個N溝道功率MOSFET構建在p型襯底上，圖1為通常的IGBT橫截面。（PT IGBT有一個額外的N+層，并將加以解釋。）因此，使用IGBT和使用功率MOSFET非常相似。從發(fā)射極到柵極之間加一個正的電壓，使得電子從Body流向柵極。 如果門-發(fā)射極電壓達到或超過所謂的閾值電壓，足夠多的電子流向柵極跨過Body形成一個導電通道，允許電流從集電極流向發(fā)射極。（準確地說，它使得電子從發(fā)射極流向集電極。）這種電子流吸引陽離子或空穴從p型襯底經漂移區(qū)到達集電極。如圖2所示，為IGBT的簡化等效電路圖。
圖1：N溝道IGBT的橫截面。
圖2：IGBT的簡化等效電路圖。
圖2的左邊電路圖為一個N溝道功率MOSFET驅動一個大襯底PNP雙極晶體管，為達林頓連接。右邊電路圖簡單地顯示了一個N溝道功率MOSFET在漏極串聯二極管的情形。乍看之下，似乎IGBT兩端的開態(tài)電壓比一個N溝道功率MOSFET本身兩端的開態(tài)電壓高一個二極管的壓降。這是真正的事實，即IGBT兩端的開態(tài)電壓始終是至少有一個二極管壓降。 然而，相比功率MOSFET，在相同的裸片尺寸下，工作在相同的溫度和電流的情況下，IGBT可以明顯降低開態(tài)電壓。原因是，MOSFET僅僅是多子（多數載流子）器件。 換言之，在N溝道 MOSFET中，只有電子在流動。 如前所述，N溝道IGBT的p型襯底會將空穴注入到漂移區(qū)。因此，IGBT的電流里既有電子又有空穴。這種空穴（少子）的注入大大減少了漂移區(qū)的等效電阻。另有說明，空穴注入大大增加了電導率，或導電性被調制。由此減少了開態(tài)電壓是IGBT相比功率MOSFET的主要優(yōu)勢。
當然，世界上沒有免費的午餐，較低的開態(tài)電壓的代價是開關速度變慢，特別是在關閉時。 原因是，在關斷時，電子流可以突然停止，就跟在功率MOSFET中一樣，通過降低柵極和發(fā)射極之間的電壓使其低于閾值電壓。然而，空穴仍然留在漂移區(qū)，除了電壓梯度和中和沒有辦法移除它們。IGBT在關閉期間的尾電流一直要持續(xù)到所有的空穴被中和或被調制。調制率是可以控制的，這是圖1中N +緩沖層的作用。 這種緩沖層在關閉期間迅速吸收捕獲的空穴。 并非所有的IGBT納入一個n+緩沖層; 那些被稱為穿通型(PT)的有，那些被稱為非穿通型（NPT）的沒有。 PT IGBTs 有時被稱為不對稱的，NPT是對稱的。
其他的較低的開態(tài)電壓的代價是，如果IGBT的運作超出規(guī)格的范圍，那么會存在閂鎖的可能。閉鎖是IGBT的一種失效模式既IGBT再也不能被柵極關閉。任何對IGBT的誤用都將誘發(fā)閉鎖。 因此，IGBT的閉鎖失效機理需要一些解釋。
基本結構
IGBT的基本結構和晶閘管類似，即一系列PNPN結。 這可以通過分析更詳細的IGBT等效電路模型來解釋，如圖3所示。
圖3：IGBT的寄生晶閘管模型。
所有的N通道功率MOSFET都存在寄生NPN雙極型晶體管，因此所有N3channel的IGBT也都存在。寄生NPN晶體管的基極是體區(qū)域，基極和發(fā)射極短接以防止晶體管開啟。 但是請注意，體區(qū)域存在電阻，既體擴散電阻（body region spreading resistance），如圖3所示。 P型襯底，漂移區(qū)和體區(qū)域組成了IGBT的PNP部分。該PNPN結構形成了寄生晶閘管。 如果寄生NPN晶體管開啟并且NPN和PNP晶體管的增益和大于1，閉鎖就發(fā)生了。 閉鎖是通過優(yōu)化IGBT的摻雜水平和設計不同區(qū)域的尺寸來避免的，如圖1所示。
可以設定NPN和PNP晶體管的增益，使他們的總和不到1。 隨著溫度的升高，NPN和PNP晶體管的增益增大，體擴散電阻也增大。非常高的集電極電流可在體區(qū)域引起足夠的電壓降使得寄生NPN晶體管開啟，芯片的局部過熱使寄生晶體管的增益升高，這樣他們的收益總和就超過1。如果發(fā)生這種情況，寄生晶閘管就開始進入閂鎖狀態(tài)，而且IGBT無法被柵極關閉，且可能由于電流過大被燒毀。這是靜態(tài)閉鎖。高dv/dt關閉過程加上過度的集電極電流也可以顯著地提高增益和開啟寄生NPN晶體管。這是動態(tài)閉鎖，這實際上限制了安全工作區(qū)，因為它可能會在比靜態(tài)閉鎖低得多的集電極電流下發(fā)生閉鎖，這取決于關斷時的dv / dt。通過在允許的最大電流和安全工作區(qū)內工作，可以避免靜態(tài)和動態(tài)閉鎖，且不用考慮dv / dt的問題。請注意，開啟和關閉情況下的dv / dt，過沖（overshoot）和震蕩（ringing）可由外部閘電阻設定（以及在電路布局上的雜散電感）。 |
