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IGBT

近年来，随着(zhe)双极型晶(jing)体(ti)管模块和(he)MOSFET的(de)(de)出现，节能(neng)、设备(bei)小型化、轻(qing)量化等(deng)要(yao)求的(de)(de)提高(gao)，电(dian)动机可(ke)变驱动装置(zhi)和(he)电(dian)子计算机的(de)(de)备(bei)用电(dian)源装置(zhi)等(deng)使用交换(huan)原件的(de)(de)各(ge)种电(dian)力变换(huan)器(qi)也迅速(su)发展起来。但是电(dian)力变换(huan)器(qi)方面的(de)(de)需求，并没(mei)有通过双极型晶(jing)体(ti)管模块和(he)MOSFET得到(dao)完(wan)全(quan)的(de)(de)满足。双极型功(gong)率晶(jing)体(ti)管模块虽然(ran)可(ke)以得到(dao)高(gao)耐压、大容量的(de)(de)元(yuan)件，但是却有交换(huan)速(su)度不够快(kuai)的(de)(de)缺陷(xian)。而MOSFET虽然(ran)交换(huan)速(su)度够快(kuai)了(le)，但是存在着(zhe)不能(neng)得到(dao)高(gao)耐压、大容量等(deng)的(de)(de)缺陷(xian)。

绝(jue)缘栅双极(ji)(ji)型(xing)晶(jing)体管(guan)(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)正是顺(shun)应这种要求而开(kai)发的(de)，它(ta)是一种既有(you)MOSFET的(de)高速切换(huan)，又有(you)双极(ji)(ji)型(xing)晶(jing)体管(guan)的(de)高耐压、大(da)电流处(chu)理能(neng)力的(de)新型(xing)元件。

IGBT的基本知识

1．定义

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由B.IT（双极结型晶体管）和MOSFET（金属—氧化物—半导体场效应管）组成的(de)(de)(de)复合(he)全(quan)控型电压(ya)驱动式(shi)功(gong)率半导(dao)体器件，它(ta)兼有MOSFET的(de)(de)(de)高输(shu)人阻抗和GTR的(de)(de)(de)低(di)(di)导(dao)通压(ya)降两方面的(de)(de)(de)优(you)点。GTR（电力晶体管，是一种双极型大功(gong)率、高反(fan)压(ya)晶体管，其功(gong)率非常(chang)大，因此又(you)被(bei)称(cheng)为巨型晶体管，简称(cheng)CTR）的(de)(de)(de)饱和压(ya)降低(di)(di)，载流(liu)密度大，但驱动电流(liu)较大；MOSFET的(de)(de)(de)驱动功(gong)率很小，开关速度快(kuai)，但导(dao)通压(ya)降大，载流(liu)密度小。IGBT综(zong)合(he)了以上两种器件的(de)(de)(de)优(you)点，即驱动功(gong)率小而(er)饱和压(ya)降低(di)(di)。

2.IBGT的(de)分类

按有无缓(huan)冲区分类

(1)非对称型ICBT：有(you)缓冲(chong)区(qu)(qu)N+，为穿通型IGBT;由(you)于N+区(qu)(qu)存在，所以反向阻(zu)断(duan)能力弱，但正向压降(jiang)低(di)，关断(duan)时间短，关断(duan)时的尾(wei)部电流小。

(2)对称型IGBT：无缓(huan)冲区(qu)N＋，为非穿通型IGBT；具有正、反向(xiang)阻(zu)断能力，其他特性(xing)较非对称型IGBT差。

按沟道(dao)类(lei)(lei)型分类(lei)(lei)

IBGT按沟(gou)道(dao)(dao)类型分为N沟(gou)道(dao)(dao)IGBT和P沟(gou)道(dao)(dao)IGBT。

3．主要性能(neng)指(zhi)标

1)通态电压Uon

所谓通(tong)态电压Uon，是指ⅡGBT进(jin)入导通(tong)状态的管压降(jiang)Uon，这个电压随UGS上升而下降(jiang)。

2)开关损耗

IGBT的开(kai)(kai)关损(sun)(sun)耗(hao)包(bao)括关断损(sun)(sun)耗(hao)和开(kai)(kai)通损(sun)(sun)耗(hao)。常温(wen)下，IGBT的关断损(sun)(sun)耗(hao)和MOSFET差不(bu)多。其(qi)开(kai)(kai)通损(sun)(sun)耗(hao)平均比(bi)MOSFET略小(xiao)，且(qie)它与温(wen)度关系(xi)不(bu)大(da)，但每(mei)增加100℃，其(qi)值增加2倍。两种器件(jian)的开(kai)(kai)关损(sun)(sun)耗(hao)和电流相关，电流越(yue)大(da)，损(sun)(sun)耗(hao)越(yue)大(da)。

3)安全工作区的(de)主(zhu)要参(can)数(shu)（PCM、IcM、UCEM、UGES）

(1)最大集电极(ji)功耗(hao)PCM：取(qu)决于(yu)允许结温。

(2)最大集电极电流lCM：受元件擎(qing)住效应限制(zhi)。

(3)最大集电极(ji)-发射极(ji)电压(ya)UCEM：由内(nei)部PNP型(xing)晶体(ti)管的击穿(chuan)电压(ya)确定。

(4)栅(zha)极-发射(she)极额(e)定(ding)电压(ya)(ya)UCES：栅(zha)极控制信(xin)号的(de)电压(ya)(ya)额(e)定(ding)值(zhi)。

４．主要优(you)缺点(dian)

与MOSFET和(he)BJT相比，IGBT的主要优势体现在：

(])它有一(yi)个(ge)非(fei)常低(di)的(de)通态压降，且(qie)由于它具(ju)有优异的(de)电(dian)导调(diao)制(zhi)能(neng)力和(he)较大的(de)通态电(dian)流(liu)密度，使(shi)得更小的(de)芯片尺寸和(he)更低(di)的(de)功耗成为可(ke)能(neng)；

(2) MOS栅(zha)结构使得IGBT有较低的(de)驱动电(dian)(dian)(dian)压(ya)，且只需(xu)要简单的(de)外围驱动电(dian)(dian)(dian)路；与(yu)BJT和晶闸管(guan)相(xiang)比较，它能更容易(yi)地使用在高电(dian)(dian)(dian)压(ya)大电(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)电(dian)(dian)(dian)路中；

(3)它有(you)比较宽的安全(quan)操作区，且它具有(you)比双极型晶体(ti)管更优良(liang)的电流传导能力(li)，也(ye)有(you)良(liang)好(hao)的正(zheng)向和反向阻(zu)断能力(li)。

IGBT的主要缺点是：

(1)关(guan)闭(bi)速度优于BJT但不如(ru)MOSFET由于少(shao)数载流子，产(chan)生的集电极电流拖尾，导致其关(guan)闭(bi)速度很慢；

(2)由于(yu)采用PNPN结构，所(suo)以很(hen)容(rong)易(yi)产生闩锁效应(ying)。

IGBT适(shi)用于(yu)较大的(de)阻(zu)断电(dian)(dian)压(ya)(ya)。在(zai)为了提高(gao)击穿电(dian)(dian)压(ya)(ya)而(er)让(rang)漂(piao)移区的(de)电(dian)(dian)阻(zu)率(lv)和厚度(du)增加时(shi)，MOSFET的(de)通(tong)(tong)态电(dian)(dian)阻(zu)将会显著增大。正因为如此，火(huo)电(dian)(dian)流、高(gao)阻(zu)断电(dian)(dian)压(ya)(ya)的(de)功率(lv)MOSFET通(tong)(tong)常是很难发展的(de)。相反，对(dui)于(yu)IGBT来说，其漂(piao)移区的(de)电(dian)(dian)阻(zu)由(you)于(yu)高(gao)浓度(du)的(de)少(shao)数载流子的(de)注入而(er)急(ji)剧下降，这(zhei)样IGBT的(de)漂(piao)移区的(de)正向压(ya)(ya)降变(bian)得和IGBT本身(shen)的(de)厚度(du)相关(guan)，但和原有的(de)电(dian)(dian)阻(zu)率(lv)无(wu)关(guan)。

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