IGBT
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型功率管,是由 BJT(双极 型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点.GTR 饱和压降低, 载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大, 载流密度小.IGBT 综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低.非常适 合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机,变频器,开关电源,照明 电路,牵引传动等领域. 图 1 所示为一个 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, N+ 区称为源区,附于 其上的电极称为源极.N+ 区称为漏区.器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为 栅极.沟道在紧靠栅区边界形成.在漏,源之间的 P 型区(包括 P+ 和 P 一区) (沟 道在该区域形成),称为亚沟道区( Subchannel region ).而在漏区另一侧的 P+ 区称为漏注入区( Drain injector ),它是 IGBT 特有的功能区,与漏区和亚沟道区 一起形成 PNP 双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以 降低器件的通态电压.附于漏注入区上的电极称为漏极. IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给 PNP 晶体管提供基极电 流,使 IGBT 导通.反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使 IGBT 关断. IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同,只需控制输入极 N 一沟道 MOSFET ,所 以具有高输入阻抗特性.当 MOSFET 的沟道形成后,从 P+ 基极注入到 N 一层的 空穴(少子),对 N 一层进行电导调制,减小 N 一层的电阻,使 IGBT 在高电压时, 也具有低的通态电压. IGBT 的工作特性包括静态和动态两类: 1 .静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性,转移特性和开关特性. IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间 的关系曲线.输出漏极电流比受栅源电压 Ugs 的控制,Ugs 越高, Id 越大.它与 GTR 的输出特性相似.也可分为饱和区 1 ,放大区 2 和击穿特性 3 部分.在截止 状态下的 IGBT ,正向电压由 J2 结承担,反向电压由 J1 结承担.如果无 N+ 缓冲 区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入 N+缓冲区后,反向关断电压只能达 到几十伏水平,因此限制了 IGBT 的某些应用范围. IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的关系曲线. 它与 MOSFET 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压 Ugs(th) 时,IGBT 处于关断 状态.在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内, Id 与 Ugs 呈线性关系.最高栅 源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为 15V 左右. IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系.IGBT 处于导通态时, 由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管,所以其 B 值极低.尽管等效电路为达林顿结 构, 但流过 MOSFET 的电流成为 IGBT 总电流的主要部分. 此时, 通态电压 Uds(on) 可用下式表示
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh 式中 Uj1 —— JI 结的正向电压,其值为 0.7 ～1V ;Udr ——扩展电阻 Rdr 上 的压降;Roh ——沟道电阻. 通态电流 Ids 可用下式表示: Ids=(1+Bpnp)Imos 式中 Imos ——流过 MOSFET 的电流. 由于 N+ 区存在电导调制效应,所以 IGBT 的通态压降小,耐压 1000V 的 IGBT 通态压降为 2 ～ 3V .IGBT 处于断态时,只有很小的泄漏电流存在. 2 .动态特性 IGBT 在开通过程中,大部分时间是作为 MOSFET 来运行的,只是在漏源电压 Uds 下降过程后期, PNP 晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间.td(on) 为开通延迟时间, tri 为电流上升时间.实际应用中常给出的漏极电流开通时间 ton 即为 td (on) tri 之和.漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2 组成. IGBT 的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电 压可由不同的驱动电路产生.当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行: 器件关断偏置的要求,栅极电荷的要求,耐固性要求和电源的情况.因为 IGBT 栅极 - 发射极阻抗大,故可使用 MOSFET 驱动技术进行触发,不过由于 IGBT 的输入电 容较 MOSFET 为大,故 IGBT 的关断偏压应该比许多 MOSFET 驱动电路提供的偏压 更高. IGBT 在关断过程中,漏极电流的波形变为两段.因为 MOSFET 关断后,PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间,td(off)为关断延迟 时间,trv 为电压 Uds(f)的上升时间.实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间 Tf 由图中的 t(f1)和 t(f2)两段组成,而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv 十 t(f) 式中,td(off)与 trv 之和又称为存储时间. IGBT 的开关速度低于 MOSFET,但明显高于 GTR.IGBT 在关断时不需要负栅 压来减少关断时间,但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加.IGBT 的开 启电压约 3～4V, MOSFET 相当. 和 IGBT 导通时的饱和压降比 MOSFET 低而和 GTR 接近,饱和压降随栅极电压的增加而降低. 正式商用的 IGBT 器件的电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用 技术发展的需求;高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到 10KV 以上,目 前只能通过 IGBT 高压串联等技术来实现高压应用.国外的一些厂家如瑞士 ABB 公 司采用软穿通原则研制出了 8KV 的 IGBT 器件,德国的 EUPEC 生产的 6500V/600A 高压大功率 IGBT 器件已经获得实际应用,日本东芝也已涉足该领域.与此同时,各 大半导体生产厂商不断开发 IGBT 的高耐压,大电流,高速,低饱和压降,高可靠性, 低成本技术,主要采用 1um 以下制作工艺,研制开发取得一些新进展.