什么是IGBT?
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣三雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件。應(yīng)用于交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。絕緣柵雙極晶體管（ IGBT ）將MOS柵極易驅(qū)動(dòng)性和低傳導(dǎo)損耗結(jié)合在一起，并正在迅速取代功率雙極晶體管作為高電流和高電壓應(yīng)用設(shè)備的選擇。艱難的在開關(guān)速度和導(dǎo)通損耗之間權(quán)衡，這種境況現(xiàn)在正被很好的轉(zhuǎn)變，IGBT正在蠶食高頻率，高效率的功率MOSFET領(lǐng)地。事實(shí)上，行業(yè)的趨勢(shì)是在除了非常低電流的應(yīng)用以外，用IGBT取代功率MOSFET。
如何選擇IGBT
本節(jié)是有意擺在技術(shù)講解之前的�；卮鹣铝械闹匾獑栴}，將有助于為特定的應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)腎GBT。 非穿通（NPT）和穿通(PT)器件之間的差異，以及術(shù)語和圖表將稍后解釋。
1. 什么是工作電壓？ IGBT的關(guān)斷電壓最高應(yīng)不超過VCES的80%。
2. 這是硬或軟開關(guān)？PT器件更適合于軟開關(guān)，因其可以減少尾電流，但是，NPT器件將一直工作。
3.流過IGBT的電流都有什么？首先用簡(jiǎn)短的語言對(duì)用到的電流做一個(gè)大致的介紹。對(duì)于硬開關(guān)應(yīng)用，頻率—電流圖很有用，可幫助確定器件是否適合應(yīng)用。在應(yīng)用時(shí)需要考慮到數(shù)據(jù)表由于測(cè)試條件不同而存在的差異，如何做到這一點(diǎn)稍后將有一個(gè)例子。對(duì)于軟開關(guān)應(yīng)用，可從IC2開始著手。
4.什么是理想的開關(guān)速度？如果答案是“更高，更好”，那么PT器件是最好的選擇。同樣，使用頻率—電流圖可以幫助選擇硬開關(guān)應(yīng)用的器件。
5.短路承受能力必要嗎？對(duì)于應(yīng)用如馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，答案是肯定的，而且開關(guān)頻率也往往是相對(duì)較低。這時(shí)將需要NPT器件。開關(guān)電源往往不需要短路耐受力。
IGBT概述
一個(gè)N溝道IGBT基本上是一個(gè)N溝道功率MOSFET構(gòu)建在p型襯底上，圖1為通常的IGBT橫截面。（PT IGBT有一個(gè)額外的N+層，并將加以解釋。）因此，使用IGBT和使用功率MOSFET非常相似。從發(fā)射極到柵極之間加一個(gè)正的電壓，使得電子從Body流向柵極。 如果門-發(fā)射極電壓達(dá)到或超過所謂的閾值電壓，足夠多的電子流向柵極跨過Body形成一個(gè)導(dǎo)電通道，允許電流從集電極流向發(fā)射極。（準(zhǔn)確地說，它使得電子從發(fā)射極流向集電極。）這種電子流吸引陽離子或空穴從p型襯底經(jīng)漂移區(qū)到達(dá)集電極。如圖2所示，為IGBT的簡(jiǎn)化等效電路圖。
圖1：N溝道IGBT的橫截面。
圖2：IGBT的簡(jiǎn)化等效電路圖。
圖2的左邊電路圖為一個(gè)N溝道功率MOSFET驅(qū)動(dòng)一個(gè)大襯底PNP雙極晶體管，為達(dá)林頓連接。右邊電路圖簡(jiǎn)單地顯示了一個(gè)N溝道功率MOSFET在漏極串聯(lián)二極管的情形。乍看之下，似乎IGBT兩端的開態(tài)電壓比一個(gè)N溝道功率MOSFET本身兩端的開態(tài)電壓高一個(gè)二極管的壓降。這是真正的事實(shí)，即IGBT兩端的開態(tài)電壓始終是至少有一個(gè)二極管壓降。 然而，相比功率MOSFET，在相同的裸片尺寸下，工作在相同的溫度和電流的情況下，IGBT可以明顯降低開態(tài)電壓。原因是，MOSFET僅僅是多子（多數(shù)載流子）器件。 換言之，在N溝道 MOSFET中，只有電子在流動(dòng)。 如前所述，N溝道IGBT的p型襯底會(huì)將空穴注入到漂移區(qū)。因此，IGBT的電流里既有電子又有空穴。這種空穴（少子）的注入大大減少了漂移區(qū)的等效電阻。另有說明，空穴注入大大增加了電導(dǎo)率，或?qū)щ娦员徽{(diào)制。由此減少了開態(tài)電壓是IGBT相比功率MOSFET的主要優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)然，世界上沒有免費(fèi)的午餐，較低的開態(tài)電壓的代價(jià)是開關(guān)速度變慢，特別是在關(guān)閉時(shí)。 原因是，在關(guān)斷時(shí)，電子流可以突然停止，就跟在功率MOSFET中一樣，通過降低柵極和發(fā)射極之間的電壓使其低于閾值電壓。然而，空穴仍然留在漂移區(qū)，除了電壓梯度和中和沒有辦法移除它們。IGBT在關(guān)閉期間的尾電流一直要持續(xù)到所有的空穴被中和或被調(diào)制。調(diào)制率是可以控制的，這是圖1中N +緩沖層的作用。 這種緩沖層在關(guān)閉期間迅速吸收捕獲的空穴。 并非所有的IGBT納入一個(gè)n+緩沖層; 那些被稱為穿通型(PT)的有，那些被稱為非穿通型（NPT）的沒有。 PT IGBTs 有時(shí)被稱為不對(duì)稱的，NPT是對(duì)稱的。
其他的較低的開態(tài)電壓的代價(jià)是，如果IGBT的運(yùn)作超出規(guī)格的范圍，那么會(huì)存在閂鎖的可能。閉鎖是IGBT的一種失效模式既IGBT再也不能被柵極關(guān)閉。任何對(duì)IGBT的誤用都將誘發(fā)閉鎖。 因此，IGBT的閉鎖失效機(jī)理需要一些解釋。
基本結(jié)構(gòu)
IGBT的基本結(jié)構(gòu)和晶閘管類似，即一系列PNPN結(jié)。 這可以通過分析更詳細(xì)的IGBT等效電路模型來解釋，如圖3所示。
圖3：IGBT的寄生晶閘管模型。
所有的N通道功率MOSFET都存在寄生NPN雙極型晶體管，因此所有N3channel的IGBT也都存在。寄生NPN晶體管的基極是體區(qū)域，基極和發(fā)射極短接以防止晶體管開啟。 但是請(qǐng)注意，體區(qū)域存在電阻，既體擴(kuò)散電阻（body region spreading resistance），如圖3所示。 P型襯底，漂移區(qū)和體區(qū)域組成了IGBT的PNP部分。該P(yáng)NPN結(jié)構(gòu)形成了寄生晶閘管。 如果寄生NPN晶體管開啟并且NPN和PNP晶體管的增益和大于1，閉鎖就發(fā)生了。 閉鎖是通過優(yōu)化IGBT的摻雜水平和設(shè)計(jì)不同區(qū)域的尺寸來避免的，如圖1所示。
可以設(shè)定NPN和PNP晶體管的增益，使他們的總和不到1。 隨著溫度的升高，NPN和PNP晶體管的增益增大，體擴(kuò)散電阻也增大。非常高的集電極電流可在體區(qū)域引起足夠的電壓降使得寄生NPN晶體管開啟，芯片的局部過熱使寄生晶體管的增益升高，這樣他們的收益總和就超過1。如果發(fā)生這種情況，寄生晶閘管就開始進(jìn)入閂鎖狀態(tài)，而且IGBT無法被柵極關(guān)閉，且可能由于電流過大被燒毀。這是靜態(tài)閉鎖。高dv/dt關(guān)閉過程加上過度的集電極電流也可以顯著地提高增益和開啟寄生NPN晶體管。這是動(dòng)態(tài)閉鎖，這實(shí)際上限制了安全工作區(qū)，因?yàn)樗赡軙?huì)在比靜態(tài)閉鎖低得多的集電極電流下發(fā)生閉鎖，這取決于關(guān)斷時(shí)的dv / dt。通過在允許的最大電流和安全工作區(qū)內(nèi)工作，可以避免靜態(tài)和動(dòng)態(tài)閉鎖，且不用考慮dv / dt的問題。請(qǐng)注意，開啟和關(guān)閉情況下的dv / dt，過沖（overshoot）和震蕩（ringing）可由外部閘電阻設(shè)定（以及在電路布局上的雜散電感）。 |
