绝缘栅双极晶体管IGBT

刘工在呢

绝缘栅双极晶体管IGBT又叫绝缘栅双极型晶体管。

一．绝缘栅双极晶体管IGBT的工作原理：
$ h4 G1 [  s  {# m4 @    半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。
该器件符号如下：
4 Y) y$ Z3 C7 U; j. H7 X

N沟道         P沟道
# {/ K8 ^# X( M0 k2 ]9 `- Q, _9 N8 @0 z图1-8：IGBT的图形符号
$ y0 g' R9 C6 a4 L2 E' `注意，它的三个电极分别为门极G、集电极C、发射极E。

图1-9：IGBT的等效电路图。
9 ^0 F6 ]6 P8 r6 b. J, n' }7 B上面给出了该器件的等效电路图。实际上，它相当于把MOS管和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了MOS管、GTR的优点。
6 a% Y, Y1 b1 Z* \9 F4 ^1 r二．特点：
) @0 f$ Q4 }# ~2 X' ?' l4 P% \这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。
它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。
大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平（参考）。速度在中等电压区域（370-600V），可达到150-180KHz。
三．参数与特性：
  （1）转移特性

图1-10：IGBT的转移特性
这个特性和MOSFET极其类似，反映了管子的控制能力。
  （2）输出特性

图1-11：IGBT的输出特性
它的三个区分别为：
靠近横轴：正向阻断区，管子处于截止状态。
爬坡区：饱和区，随着负载电流Ic变化，UCE基本不变，即所谓饱和状态。
: k) h$ L, |, C) F水平段：有源区。
, \& V8 g% ~: a  （3）通态电压Von：

图1-12：IGBT通态电压和MOSFET比较
, L% j: N- F& H5 ]: ?+ t所谓通态电压，是指IGBT进入导通状态的管压降VDS，这个电压随VGS上升而下降。
9 @2 |+ Y7 O* g; w6 a7 o( J由上图可以看到，IGBT通态电压在电流比较大时，Von要小于MOSFET。
+ d: ?' L4 s) f4 A/ JMOSFET的Von为正温度系数，IGBT小电流为负温度系数，大电流范围内为正温度系数。
（4）开关损耗：
8 ?9 N' x; Z2 j, l  常温下，IGBT和MOSFET的关断损耗差不多。MOSFET开关损耗与温度关系不大，但IGBT每增加100度，损耗增加2倍。
: }7 l: f3 G) a  M! b  开通损耗IGBT平均比MOSFET略小，而且二者都对温度比较敏感，且呈正温度系数。
2 _1 T6 u( c$ p- D  两种器件的开关损耗和电流相关，电流越大，损耗越高。
- L" |% c+ _8 J7 U( ?（5）安全工作区与主要参数ICM、UCEM、PCM：
IGBT的安全工作区是由电流ICM、电压UCEM、功耗PCM包围的区域。
% j! h1 o1 J  Y8 s( R% j

图1-13：IGBT的功耗特性
% F1 H: B, ]+ |* ?最大集射极间电压UCEM：取决于反向击穿电压的大小。
9 f- [0 n' g- N. u, u  R最大集电极功耗PCM：取决于允许结温。
最大集电极电流ICM：则受元件擎住效应限制。
所谓擎住效应问题：由于IGBT存在一个寄生的晶体管，当IC大到一定程度，寄生晶体管导通，栅极失去控制作用。此时，漏电流增大，造成功耗急剧增加，器件损坏。
0 Z1 z* l+ m; i3 h2 I安全工作区随着开关速度增加将减小。
  （6）栅极偏置电压与电阻
: t6 E9 ]( ^# j3 AIGBT特性主要受栅极偏置控制，而且受浪涌电压影响。其di/dt明显和栅极偏置电压、电阻Rg相关，电压越高，di/dt越大，电阻越大，di/dt越小。
而且，栅极电压和短路损坏时间关系也很大，栅极偏置电压越高，短路损坏时间越短。

% v& c" A& X& G# Y

Monika

这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身