igbt简介_IGBT介绍

IGBT IGBT简介，即绝缘栅双极晶体管，是由BJT(双极晶体管)和MOS(绝缘栅场效应晶体管)组成的复合型全控压驱动功率半导体器件，具有MOSFET输入阻抗高和GTR导通压降低的优点。GTR饱和电压降低，载流密度高，但驱动电流大；MOSFET的驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT结合了上述两种器件的优点，具有低驱动功率和低饱和电压。非常适用于DC电压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。

IGBT结构上图是一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。N区称为源区，附着其上的电极称为源极(即发射极e)。n的基极称为漏区。器件的控制区是栅极区，附着在其上的电极称为栅极(即栅极G)。沟道形成在栅极区域的边界附近。C极和E极之间(形成沟道的地方)的P型区(包括P和P区)称为子沟道区。漏区另一侧的P区称为漏注入区，是IGBT特有的功能区。它与漏极区和子沟道区一起构成PNP双极晶体管，作为发射极，向漏极注入空穴并进行导电调制，以降低器件的通态电压。附着于漏极注入区的电极称为漏极(即集电极C)。

IGBT的开关作用是通过加正向栅压形成沟道，为PNP(原NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。相反，增加反向栅极电压以消除沟道，切断基极电流并关闭IGBT。IGBT的驱动方式与MOSFET基本相同，只需要控制输入N沟道MOSFET，因此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层的空穴(少数载流子)中，调制N层的电导，降低N层的电阻，使IGBT在高电压下具有较低的通态电压。

IGBT的工作原理和方法：

IGBT是垂直功率MOSFET的自然演变，适用于大电流、高电压应用和快速终端设备。因为需要源极-漏极沟道来实现更高的击穿电压BVDSS，但是该沟道具有高电阻率，这导致功率MOSFET具有高RDS(on)值。IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代的功率MOSFET器件已经大大改善了RDS(on)特性，但在高水平下，功率传导损耗仍然远远高于IGBT技术。与标准双极性器件相比，更低的压降、转换为低VCE(sat)的能力以及IGBT的结构可以支持更高的电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。

开启：

IGBT硅片的结构与功率MOSFET非常相似，主要区别是IGBT增加了一个P衬底和一个N缓冲层(这部分不是NPT-非穿通IGBT技术增加的)。如等效电路图(图)所示，一个MOSFET驱动两个双极性器件。衬底的应用在管的P和N区域之间产生了J1结。当栅极正偏压使栅极下方的P基区反相时，形成N沟道，同时出现电子流，完全以功率MOSFET的方式产生电流。如果这种电子流产生的电压在0.7V的范围内，那么J1将处于正向偏置，一些空穴将被注入N区，阳极和阴极之间的电阻率将被调节，这降低了功率传导的总损耗，并开始第二次电荷流。最终的结果是两种不同的电流拓扑暂时出现在半导体层面：一种电子电流(MOSFET电流)；空穴电流(双极)。

关闭：

当向栅极施加负偏置电压或者栅极电压低于阈值时，沟道被禁止，并且没有空穴被注入N-区域。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流将逐渐降低，因为在换向开始后，N层中仍有少数载流子(少数载流子)。剩余电流(尾流)的减少完全取决于关断时的电荷密度，并且该密度与几个因素有关，例如掺杂剂的量和拓扑、层厚度和温度。少数载流子的衰减使得集电极电流具有特征性的尾波波形，造成以下问题：功耗增加；交叉传导的问题更加明显，尤其是在使用续流二极管的设备中。

由于尾流与少数载流子复合有关，所以尾流的电流值应该与芯片的温度密切相关，而空穴迁移率与IC和VCE密切相关。因此，根据达到的温度，减少电流作用在终端设备设计上的这种不良影响是可行的。

闭锁和闩锁：

当集电极加反向电压时，J1将受反向偏置控制，耗尽层将扩展到N区。因为这一层的厚度减少太多，将不会获得有效的阻挡能力，所以这一机制非常重要。另一方面，如果该区域的尺寸过度增加，压降将持续增加。第二点很清楚的解释了NPT器件的压降高于同等(IC和速度相同)PT器件的原因。

当栅极和发射极短路，并在集电极端施加正电压时，P/NJBOY3乐队结由反向电压控制。此时，n漂移区中的耗尽层仍然承受外部施加的电压。

IGBT在集电极和发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管(如图1所示)。在特殊情况下，这个寄生装置会开启。这种现象会增加集电极和发射极之间的电流，降低等效MOSFET的控制能力，通常会造成器件击穿。晶闸管导通现象被称为IGBT闭锁。具体来说，这种缺陷的原因各不相同，并且与设备的状态密切相关。一般来说，静态和动态闩锁有以下主要区别：

当所有晶闸管都导通时，会发生静态闩锁，只有当它们关断时，才会发生动态闩锁。这种特殊现象严重限制了安全操作区域。为了防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，需要采取以下措施：防止NPN导通，分别改变布局和掺杂水平，降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此也与结温密切相关。随着结温和增益的增加，P基区的电阻率会增加，破坏整体特性。因此，器件制造商必须注意在最大集电极电流和闩锁电流之间保持一定的比例，通常为1: 5。

更换IGBT管故障率高是因为IGBT管工作在大电流高电压、高工作频率、高发热量的状态，而且由于其价格较高，更换IGBT管时应遵循以下原则：一是尽量用原型号更换，不仅有利于固定安装，而且相对简单。其次，如果没有同型号的电子管，可以用参数相近的IGBT电子管替换，一般用额定电流较大的电子管代替额定电流。