IGBT（絕緣柵雙極型晶體管)，變頻器的核心部件

IGBT實物圖+電路符號圖

在實際應(yīng)用中最流行和最常見的電子元器件是雙極結(jié)型晶體管 BJT 和 MOS管。

你可以把IGBT看作BJT和MOS管的融合體，IGBT具有BJT的輸入特性和MOS管的輸出特性。

與BJT或MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管IGBT優(yōu)勢在于它提供了比標準雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高工作電壓和更低MOS管輸入損耗。

01

什么是IGBT

IGBT是絕緣柵雙極晶體管的簡稱，是一種三端半導(dǎo)體開關(guān)器件，可用于多種電子設(shè)備中的高效快速開關(guān)。

IGBT主要用于放大器，用于通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 切換/處理復(fù)雜的波形。

你可以看到輸入側(cè)代表具有柵極端子的MOS管，輸出側(cè)代表具有集電極和發(fā)射極的BJT。

集電極和發(fā)射極是導(dǎo)通端子，柵極是控制開關(guān)操作的控制端子。

IGBT的電路符號與等效電路圖

02

IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)

IGBT有三個端子（集電極、發(fā)射極和柵極）都附有金屬層。然而，柵極端子上的金屬材料具有二氧化硅層。

IGBT結(jié)構(gòu)是一個四層半導(dǎo)體器件。四層器件是通過組合PNP和NPN晶體管來實現(xiàn)的，它們構(gòu)成了PNPN排列。

IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

如上圖所示，最靠近集電極區(qū)的層是 (p+) 襯底，即注入?yún)^(qū)；在它上面是 N 漂移區(qū)域，包括 N 層。注入?yún)^(qū)將大部分載流子（空穴電流）從 (p+) 注入 N- 層。

漂移區(qū)的厚度決定了 IGBT 的電壓阻斷能力。

漂移區(qū)域的上面是主體區(qū)域，它由 (p) 基板組成，靠近發(fā)射極，在主體區(qū)域內(nèi)部，有 (n+) 層。

注入?yún)^(qū)域和 N 漂移區(qū)域之間的連接點是 J2。類似地，N-區(qū)域 和 主體區(qū)域之間的結(jié)點是結(jié)點 J1。

注意：IGBT 的結(jié)構(gòu)在拓撲上類似于“MOS”柵極的晶閘管。但是，晶閘管動作和功能是可抑制的，這意味著在 IGBT 的整個器件工作范圍內(nèi)只允許晶體管動作。IGBT 比晶閘管更可取，因為晶閘管等待過零的快速切換。

03

IGBT工作原理

IGBT的工作原理是通過激活或停用其柵極端子來開啟或關(guān)閉。

如果正輸入電壓通過柵極，發(fā)射極保持驅(qū)動電路開啟。另一方面，如果 IGBT 的柵極端電壓為零或略為負，則會關(guān)閉電路應(yīng)用。

由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實現(xiàn)的放大量是其輸出信號和控制輸入信號之間的比率。

對于傳統(tǒng)的 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們將其稱為 Beta 并表示為 β。

另一方面，對于 MOS管，沒有輸入電流，因為柵極端子是主通道承載電流的隔離。我們通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

IGBT 結(jié)構(gòu)圖

如圖所示，當集電極相對于發(fā)射極處于正電位時，N 溝道 IGBT 導(dǎo)通，而柵極相對于發(fā)射極也處于足夠的正電位 (>V GET )。這種情況導(dǎo)致在柵極正下方形成反型層，從而形成溝道，并且電流開始從集電極流向發(fā)射極。

IGBT 中的集電極電流 Ic 由兩個分量 Ie和 Ih 組成。Ie 是由于注入的電子通過注入層、漂移層和最終形成的溝道從集電極流向發(fā)射極的電流。Ih 是通過 Q1 和體電阻 Rb從集電極流向發(fā)射極的空穴電流。因此盡管 Ih幾乎可以忽略不計，因此 Ic ≈ Ie。

在 IGBT 中觀察到一種特殊現(xiàn)象，稱為 IGBT 的閂鎖。這發(fā)生在集電極電流超過某個閾值（ICE）。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵極端子失去對集電極電流的控制，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無法關(guān)閉。

現(xiàn)在要關(guān)斷 IGBT，我們需要典型的換流電路，例如晶閘管強制換流的情況。如果不盡快關(guān)閉設(shè)備，可能會損壞設(shè)備。

集電極電流公式

下圖很好地解釋IGBT的工作原理，描述了 IGBT 的整個器件工作范圍。

IGBT的工作原理圖

IGBT 僅在柵極端子上有電壓供應(yīng)時工作，它是柵極電壓，即 VG。如上圖所示，一旦存在柵極電壓 ( VG ) ，柵極電流 ( IG ) 就會增加，然后它會增加?xùn)艠O-發(fā)射極電壓 ( VGE )。

因此，柵極-發(fā)射極電壓增加了集電極電流 ( IC )。因此，集電極電流 ( IC ) 降低了集電極到發(fā)射極電壓 ( VCE )。

注意：IGBT 具有類似于二極管的電壓降，通常為 2V 量級，僅隨著電流的對數(shù)增加。

IGBT 使用續(xù)流二極管傳導(dǎo)反向電流，續(xù)流二極管放置在 IGBT 的集電極-發(fā)射極端子上。

04

IGBT的等效電路

IGBT的近似等效電路由 MOS 管和 PNP 晶體管(Q1 )組成,考慮到 n- 漂移區(qū)提供的電阻，電阻 Rd已包含在電路中，如下圖所示：

IGBT 的近似等效電路

仔細檢查 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)，可以得出這個等效電路，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

等效電路圖的基本結(jié)構(gòu)

穿通 IGBT、PT-IGBT：穿通 IGBT、PT-IGBT 在發(fā)射極接觸處具有 N+ 區(qū)。

觀察上面顯示 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)，可以看到到從集電極到發(fā)射極存在另一條路徑，這條路徑是集電極、p+、n- 、 p（n 通道）、n+ 和發(fā)射極。

因此，在 IGBT 結(jié)構(gòu)中存在另一個晶體管 Q2作為 n – pn+，因此，我們需要在近似等效電路中加入這個晶體管 Q2以獲得精確的等效電路。

IGBT 的精確等效電路如下所示：

IGBT的精確等效電路圖

該電路中的 Rby 是 p 區(qū)對空穴電流的流動提供的電阻。

眾所周知，IGBT是 MOS 管的輸入和 BJT 的輸出的組合，它具有與N溝道MOS管和達林頓配置的PNP BJT等效的結(jié)構(gòu)，因此也可以加入漂移區(qū)的電阻。

05

IGBT 的特性--靜態(tài) VI 特性

下圖顯示了 n 溝道 IGBT 的靜態(tài) VI 特性以及標有參數(shù)的電路圖，該圖與 BJT 的圖相似，只是圖中保持恒定的參數(shù)是 VGE，因為 IGBT 是電壓控制器件，而 BJT 是電流控制器件。

IGBT的靜態(tài)特性圖

當 IGBT 處于關(guān)閉模式時（VCE為正且 VGE < VGET），反向電壓被 J 2 阻斷，當它被反向偏置時，即 VCE為負，J 1 阻斷電壓。

06

IGBT 的特性--開關(guān)特性

IGBT 是電壓控制器件，因此它只需要一個很小的電壓到柵極即可保持導(dǎo)通狀態(tài)。

由于是單向器件， IGBT 只能在從集電極到發(fā)射極的正向切換電流。IGBT的典型開關(guān)電路如下所示，柵極電壓 VG施加到柵極引腳以從電源電壓 V+ 切換電機 (M)。電阻 Rs 大致用于限制通過電機的電流。

IGBT的典型開關(guān)電路圖

下圖顯示了IGBT 的典型開關(guān)特性。

IGBT 的典型開關(guān)特性

01 導(dǎo)通時間（ t on）

通常由延遲時間 (t dn ) 和上升時間 (t r ) 兩部分組成。

02 延遲時間 （t dn )

定義為集電極電流從漏電流 ICE上升到 0.1 IC（最終集電極電流）和集電極發(fā)射極電壓從 VCE下降到 0.9VCE的時間。

03 上升時間 （t r )

定義為集電極電流從 0.1 IC上升到 IC以及集電極-發(fā)射極電壓從 0.9V CE下降到 0.1 VCE的時間。

04 關(guān)斷時間（ t off）

由三個部分組成，延遲時間 (t df )、初始下降時間 (t f1 ) 和最終下降時間 (t f2 )。

05 延遲時間 （t df )

定義為集電極電流從 I C下降到 0.9 I C并且 V CE開始上升的時間。

06 初始下降時間 （t f1 )

集電極電流從 0.9 I C下降到 0.2 I C并且集電極發(fā)射極電壓上升到 0.1 V CE的時間。

07 最終下降時間 （t f2 )

定義為集電極電流從 0.2 I C下降到 0.1 I C并且 0.1V CE上升到最終值 V CE的時間。

關(guān)斷時間公式

導(dǎo)通時間公式

07

IGBT 的特性--輸入特性

下圖可以理解IGBT的輸入特性。開始，當沒有電壓施加到柵極引腳時，IGBT 處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有電流流過集電極引腳。

當施加到柵極引腳的電壓超過閾值電壓時，IGBT 開始導(dǎo)通，集電極電流 I G開始在集電極和發(fā)射極端子之間流動。集電極電流相對于柵極電壓增加，如下圖所示。

IGBT的輸入特性圖

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IGBT 的特性--輸出特性

由于 IGBT 的工作依賴于電壓，因此只需要在柵極端子上提供極少量的電壓即可保持導(dǎo)通。

IGBT 與雙極功率晶體管相反，雙極功率晶體管需要在基極區(qū)域有連續(xù)的基極電流流動以保持飽和。

IGBT 是單向器件，這意味著它只能在“正向”（從集電極到發(fā)射極）開關(guān)。

IGBT 與具有雙向電流切換過程的 MOS 管正好相反。MOS管正向可控，反向電壓不受控制。

在動態(tài)條件下，當 IGBT 關(guān)閉時， 可能會經(jīng)歷閂鎖電流，當連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)驅(qū)動電流似乎超過臨界值時，這就是閂鎖電流。

此外，當柵極-發(fā)射極電壓低于閾值電壓時，會有少量漏電流流過 IGBT ，此時，集電極-發(fā)射極電壓幾乎等于電源電壓，因此，四層器件 IGBT 工作在截止區(qū)。

IGBT 的輸出特性圖

IGBT 的輸出特性分為三個階段：

第一階段：當柵極電壓 VGE 為零時，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)，這稱為截止區(qū)。

第二階段：當 VGE 增加時，如果它小于閾值電壓，那么會有很小的漏電流流過 IGBT ，但I GBT 仍然處于截止區(qū)。

第三階段：當 VGE增加到超過閾值電壓時，IGBT 進入有源區(qū)，電流開始流過 IGBT 。如上圖所示，電流將隨著電壓 VGE的增加而增加。

09

IGBT 的優(yōu)缺點

IGBT作為一個整體兼有BJT和MOS管的優(yōu)點。

1、優(yōu)點

具有更高的電壓和電流處理能力。

具有非常高的輸入阻抗。

可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。

電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。

柵極驅(qū)動電路簡單且便宜，降低了柵極驅(qū)動的要求

通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或負電壓可以很容易地關(guān)閉它。

具有非常低的導(dǎo)通電阻。

具有高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。

具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。

具有比 BJT 更高的開關(guān)速度。

可以使用低控制電壓切換高電流電平。

由于雙極性質(zhì)，增強了傳導(dǎo)性。

更安全

2、缺點

開關(guān)速度低于 MOS管。

單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。

不能阻擋更高的反向電壓。

比 BJT 和 MOS管 更昂貴。

類似于晶閘管的 PNPN 結(jié)構(gòu)，它存在鎖存問題。

與 PMOS 管 相比，關(guān)斷時間長。

類似于晶閘管的 PNPN 結(jié)構(gòu)，它存在鎖存問題。

與 PMOS 管 相比，關(guān)斷時間長。

以上就是關(guān)于 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、優(yōu)缺點等的內(nèi)容！

審核編輯：劉清