IGBT的结构和工作原理
eeskill 2022-07-04

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。 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS结构双极器件,属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器(逆变器)、照相机的频闪观测器、感应加热(InducTIonHeaTIng)电饭锅等领域。根据封装的不同,IGBT大致分为两种类型,一种是模压树脂密封的三端单体封装型,从TO-3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD (FleeWheelDiode)成对地(2或6组)封装起来的模块型,主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同,分为多种形状及封装方式,都已形成系列化。

IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征,IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性,但是在高电平时,功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的能力,以及IGBT的结构,与同一个标准双极器件相比,可支持更高电流密度,并简化 IGBT驱动器的原理图。

IGBT的结构和工作原理

(1)IGBT的结构

1.是三端器件,具有栅极G、集电极C和发射极E。

2.由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT,比VDMOSFET多一层P+注入区,实现对漂移区电导率进行调制,使得IGBT具有很强的通流能力。

3.简化等效电路表明,IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构,相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。

IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号

(2)IGBT的工作原理

N沟型的 IGBT工作是通过栅极-发射极间加阀值电压VTH以上的(正)电压,在栅极电极正下方的p层上形成反型层(沟道),开始从发射极电极下的n-层注入电子。该电子为p+n-p晶体管的少数载流子,从集电极衬底p+层开始流入空穴,进行电导率调制(双极工作),所以可以降低集电极-发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图1(b)所示,IGBT的符号如图1(c)所示。在发射极电极侧形成n+pn-寄生晶体管。若n+pn-寄生晶体管工作,又变成p+n- pn+晶闸管。电流继续流动,直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。

为了抑制n+pn-寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体地来说,p+n-p的电流放大系数α设计为0.5以下。 IGBT的闭锁电流IL为额定电流(直流)的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,通断由栅射极电压uGE决定。

1.IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,是一种场控器件。

2.其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。

√当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。

√当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,使得IGBT关断。

3.电导调制效应使得电阻RN减小,这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。

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