现代功率半导体器件现代功率半导体器件—IGBT一、IGBT概述IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，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功率半导体器件,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。1.IGBT的结构IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E，由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管GTR组合而成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。图1-1IGBT截面剖视图2.IGBT的工作原理IGBT是在功率MOSFET的基础上发展起来的，两者结构十分类似，不同之处是IGBT多一个P+层发射极，可形成PN结J1，并由此引出漏极；门极和源极与MOSFET相类似。IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。1)VDS为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。2)VDS为正时：VGVT，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，在N-区产生电导调制，使器件正向导通3)关断时拖尾时间：在器件导通之后，若将门极电压突然减至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所突降，但由于N-区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。4)锁定现象：由于IGBT结构中寄生着PNPN四层结构，存在着由于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电流失控，进而引起器件产生破坏性失效。出现锁定现象的条件就是晶闸管的触发导通条件：α1+α2=1a.静态锁定：IGBT在稳态电流导通时出现的锁定，此时漏极电压低，锁定发生在稳态电流密度超过某一数值时。b.动态锁定：动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压的情况下、主要是因为在电流较大时引起α1和α2的增加，以及由过大的dv/dt引起的位移电流造成的。c.栅分布锁定：是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中个别先开通或后关断的IGBT之中的电流密度过大而形成局部锁定。——采取各种工艺措施，可以提高锁定电流，克服由于锁定产生的失效。3.IGBT的基本特性1)静态特性a)转移特性b）输出特性集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系。开启电压UGE(th)----最低栅射电压。图3-1IGBT的转移特性和输出特性c）饱和电压特性：IGBT的电流密度较大，通态电压的温度系数在小电流范围内为负。大电流范围为正，其值大约为1.4倍／100℃。图3-2饱和电压特性d）开关特性：与功率MOSFET相比，IGBT通态压降要小得多，1000V的IGBT约有2~5Ｖ的通态压降。这是因为IGBT中N－漂移区存在电导调制效应的缘故。图3-3开关特性2)动态特性图3-4IGBT的开关过程a)开通过程：td(on)：开通延迟时间tri：电流上升时间tfv1，tfv2：漏源电压下降时间tfv1：MOSFET单独工作时的电压下降时间。tfv2：MOSFET、PNP管同时工作时的电压下降时间。随漏源电压下降而延长；受PNP管饱和过程影响。b)关断过程：td(off)：延迟时间trv：VDS上升时间tfi2：PNP晶体管中存储电荷决定，此时MOSFET已关断，IGBT又无反向电压，体内存储电荷很难迅速消除，因此下降时间较长，VDS较大，功耗较大。一般无缓冲区的，下降时间短。c)开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。①漏极电流的开通时间和上升时间：开通时间：ton=td(on)+tri上升时间：tr=tfv1+tfv2②漏极电流的关断时间和下降时间：关断时间：toff=td(off)+trv下降时间：tf=tfi1+tfi2③反向恢复时间：trrd)开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：e)开关损耗与温度和漏极电流关系3)IGBT的特性和参数特点总结如下：a)开关速度高，开关损耗小。b)安全工作区比GTR大，耐脉冲电流冲击能力。c)通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流...
