盡緣柵雙極晶體管基本特性

(1) 輸出特性:是UGE一定時集電極電流Ic與集電極-發(fā)射極電壓UCE的函數(shù)關(guān)系，即Ic=f(UCE)。 圖1示出IGBT的輸出特性。UGE=0的曲線對應(yīng)于IGBT處于斷態(tài)。在線性導電區(qū)I，UCE增大，Ic增大。在恒流飽和區(qū)Ⅱ，對于一定的UGE，UCE增大，IC不再隨UCE而增大。{{分頁}} 在UCE為負值的反壓下，其特性曲線類似于三極管的反向阻斷特性。 為了使IGBT安全運行，它承受的外加壓、反向電壓應(yīng)小于圖1(c)中的正、反向折轉(zhuǎn)擊穿電壓。 (2) 轉(zhuǎn)移特性:是圖1(d)所示的集電極電流Ic與柵極電壓UGE的函數(shù)關(guān)系，即Ic=f(UGE)。 當UGE小于開啟閾值電壓UGE th時，等效MOSFET中不能形成導電溝道;因此IGBT處于斷態(tài)。當UGE>UGE th后，隨著UGE的增大，Ic明顯上升。實際運行中，外加電壓UGE的最大值UGEM一般不超過15V，以限制Ic 不超過IGBT管的答應(yīng)值ICM。IGBT在額定電流時的通態(tài)壓降一般為1.5~3V。其通態(tài)壓降常在其電流較大(接近額定值)時具有正的溫度系數(shù)(Ic增大時，管壓降大);因此在幾個IGBT并聯(lián)使用時IGBT器件具有電流自動調(diào)節(jié)均流的能力，這就使多個IGBT易于并聯(lián)使用。

圖2示出了IGBT的開通和關(guān)斷過程。開通過程的特性類似于MOSFET;由于在這個區(qū)間，IGBT大部分時間作為MOSFET運行。開通時間由4個部分組成。開通延遲時間td是外施柵極脈沖從負到正跳變開始，到柵-射電壓充電到UGE th的時間。這以后集電極電流從0開始上升，到90%穩(wěn)態(tài)值的時間為電流上升時間tri。在這兩個時間內(nèi)，集-射極間電壓UCE基本不變。此后，UCE開始下降。下降時間tfu1是MOSFET工作時漏-源電壓下降時間tfu2是MOSFET和PNP晶體管同時工作時漏-源電壓下降時間;因此，IGBT開通時間為 ton=td+tr+tfu1+tfu2。 開通過程中，在td、tr時間內(nèi)，柵-射極間電容在外施正電壓作用下充電，且按指數(shù)規(guī)律上升，在tfu1、tfu2這一時間段內(nèi)MOSFET開通，流過對GTR的驅(qū)動電流，柵-射極電壓基本維持IGBT完全導通后驅(qū)動過程結(jié)束。柵-射極電壓再次按指數(shù)規(guī)律上升到外施柵極電壓值。 IGBT關(guān)斷時，在外施柵極反向電壓作用下，MOSFET輸進電容放電，內(nèi)部PNP晶體管仍然導通，在最初階段里，關(guān)斷的延遲時間td和電壓UCE的上升時間tr，由IGBT中的MOSFET決定。關(guān)斷時IGBT和MOSFET的主要差別是電流波形分為tfi1和tfi2兩部分，其中，tfi1由MOSFET決定，對應(yīng)于MOSFET的關(guān)斷過程;tfi2由PNP晶體管中存儲電荷所決定。由于在tfi1末尾MOSFET已關(guān)斷，IGBT又無反向電壓，體內(nèi)的存儲電荷難以被迅速消除;所以漏極電流有較長的下降時間。由于此時漏源電壓已建立，過長的下降時間會產(chǎn)生較大的功耗，使結(jié)溫增高;所以?？聪陆禃r間越短越好。

由圖1(b)電路可以看到IGBT內(nèi)部的寄生三極管T2與輸出三極管T1等效于一個晶閘管。內(nèi)部體區(qū)電阻Rbr上的電壓降為一個正向偏壓加在寄生三極管T2的基極和發(fā)射極之間。當IGBT處于截止狀態(tài)和處于正常穩(wěn)定通態(tài)時(ic不超過答應(yīng)值時)，Rbr上的壓降都很小，不足以產(chǎn)生T2的基極電流，T2不起作用。但假如ic瞬時過大，Rbr上壓降過大，則可能使T2導通，而一旦T2導通，即使撤除門極電壓UGE，IGBT仍然會像晶閘管一樣處于通態(tài)，使門極G失往控制作用，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)。在IGBT的設(shè)計制造時已盡可能地降低體區(qū)電阻Rbr，使IGBT的集電極電流在最大答應(yīng)值ICM時，Rbr上的壓降仍小于T2管的起始導電所必須的正偏壓。但在實際工作中ic一旦過大，則可能出現(xiàn)擎住效應(yīng)。假如外電路不能限制ic的增長，則可能損壞器件。{{分頁}} 除過大的ic可能產(chǎn)生擎住效應(yīng)外，當IGBT處于截止狀態(tài)時，假如集電極電源電壓過高，使T1管漏電流過大，也可能在Rbr上產(chǎn)生過高的壓降，使T2導通而出現(xiàn)擎住效應(yīng)。 可能出現(xiàn)擎住效應(yīng)的第三個情況是:在關(guān)斷過程中，MOSFET的關(guān)斷十分迅速，MOSFET關(guān)斷后圖1(b)中三極管T2的J2結(jié)反偏電壓UBA增大，MOSFET關(guān)斷得越快，集電極電流ic減小得越快，則UCA=Es-R

電力MOSFET器件是單極型(N溝道MOSFET中僅電子導電、P溝道MOSFET中僅空穴導電)、電壓控制型開關(guān)器件;因此其通、斷驅(qū)動控制功率很小，開關(guān)速度快;但通態(tài)降壓大，難于制成高壓大電流開關(guān)器件。電力三極晶體管是雙極型(其中，電子、空穴兩種多數(shù)載流子都參與導電)、電流控制型開關(guān)器件;因此其通-斷控制驅(qū)動功率大，開關(guān)速度不夠快;但通態(tài)壓降低，可制成較高電壓和較大電流的開關(guān)器件。為了兼有這兩種器件的優(yōu)點，棄其缺點，20世紀80年代中期出現(xiàn)了將它們的通、斷機制相結(jié)合的新一代半導體電力開關(guān)器件--盡緣柵極雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。它是一種復合器件，其輸進控制部分為MOSFET，輸出級為雙級結(jié)型三極晶體管;因此兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點，即高輸進阻抗，電壓控制，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達到10~40kHz(比電力三極管高)，飽和壓降低(比MOSFET 小得多，與電力三極管相當)，電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)域?qū)?。目?500~3000V、800~1800A的IGBT器件已有產(chǎn)品，可供幾千kVA以下的高頻電力電子裝置選用。 圖1為IGBT的符號、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等值電路及靜態(tài)特性。IGBT也有3個電極:柵極G、發(fā)射極E和集電極C。輸進部分是一個MOSFET管，圖1中Rdr表示MOSFET的等效調(diào)制電阻(即漏極-源極之間的等效電阻RDS)。輸出部分為一個PNP三極管T1，此外還有一個內(nèi)部寄生的三極管T2(NPN管)，在NPN晶體管T2的基極與發(fā)射極之間有一個體區(qū)電阻rbr。 當柵極G與發(fā)射極E之間的外加電壓UGE=0時，MOSFET管內(nèi)無導電溝道，其調(diào)制電阻Rdr可視為無窮大，Ic=0，MOSFET處于斷態(tài)。在柵極G與發(fā)射極E之間的外加控制電壓UGE，可以改變MOSFET管導電溝道的寬度，從而改變調(diào)制電阻Rdr，這就改變了輸出晶體管T1(PNP管)的基極電流，控制了IGBT管的集電極電流Ic。當UGE足夠大時(例如15V)，則T1飽和導電，IGBT進進通態(tài)。一旦撤除UGE，即UGE=0，則MOSFET從通態(tài)轉(zhuǎn)進斷態(tài)，T1截止，IGBT器件從通態(tài)轉(zhuǎn)進斷態(tài)。

絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor-IGBT)綜合了電力晶體管(Giant Transistor-GTR)和電力場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)的優(yōu)點，具有良好的特性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛;IGBT也是三端器件:柵極，集電極和發(fā)射極。 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS結(jié)構(gòu)雙極器件，屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。多使用在工業(yè)用電機、民用小容量電機、變換器(逆變器)、照相機的頻閃觀測器、感應(yīng)加熱(InductionHeating)電飯鍋等領(lǐng)域。根據(jù)封裝的不同，IGBT大致分為兩種類型，一種是模壓樹脂密封的三端單體封裝型，從TO-3P到小型表面貼裝都已形成系列。另一種是把IGBT與FWD (FleeWheelDiode)成對地(2或6組)封裝起來的模塊型，主要應(yīng)用在工業(yè)上。模塊的類型根據(jù)用途的不同，分為多種形狀及封裝方式，都已形成系列化。

IGBT是強電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進化。MOSFET由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，與同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化 IGBT驅(qū)動器的原理圖。