电力电子半导体器件(IGBT)

第七章

绝缘栅双极晶体管 (IGBT)

原理与特性一、概述 IGBT—— Insulated Gate Bipolar Transistor

近年来出现了许多新型复合器件，它们将前述单极型和双 极性器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越， 具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承 受电流大等优点，因而发展很快.应用很广，已成为当前电力 半导体器件发展的重要方向。其中尤以绝缘栅双极晶体管(1GBT)最为突出，在各个领域 中有取代前述全控型器件的趋势。 IGBT(IGT),1982年研制，第一代于1985年生产，主要 特点是低损耗，导通压降为3V,下降时间0.5us,耐压500— 600V,电流25A。

第二代于1989年生产，有高速开关型和低通态压降型，容 量为400A/500—1400V,工作频率达20KHZ。目前第三代正在 发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另 一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A, 4500V;命名为IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)二 、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。

1.分类： 按缓冲区有无分为： ①非对称型IGBT:有缓冲区N+,穿通型IGBT; 由于N+区存在，反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间 短，关断时尾部电流小。

②对称型IGBT:无缓冲区N+,非穿通型IGBT;具有正、反向阻断能力，其他特性较非对称型IGBT差。 按沟道类型： ①N沟道IGBT ②P沟道IGBT

2.开通和关断原理：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。 ①VDS为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。

②VDS为正时：VG<VT,沟道不能形成，器件呈正向阻断状态。VG>VT,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。

三、基本特性：(一)静态特性 1.伏安特性：饱和区 放大区 击穿区

几十伏，无反向阻断能力

2.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℃。 3.转移特性： 与功率MOSFET的转移特性 相同。当门源电压VGS小于开启 电压VT时，IGBT处于关断状态， 加在门源间的最高电压由流过漏 极的最大电流所限定。一般门源 电压最佳值15V。

4.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。

(二)动态特性1.开通过程： t d(on):开通延迟时间

平台：由于门源间流过驱动电流，门源 间呈二极管正向特性，VGS维持不变。

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和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。

由MOSFET决定

2.关断过程： t d(off) :延迟时间 t rv :VDS上升时间 t fi2 :由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。

3.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= t d(on)+ tri 上升时间： tr = tfv1 + tfv2 ②漏极电流的关断时间和下降时间：

关断时间：toff = t d(off) + t rv下降时间：tf = t fi1+ t fi2 ③反向恢复时间：trr

4.开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：

5.开关损耗与温度和漏极电流关系

(三)擎住效应IGBT的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管组成。在NPN晶 体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr,在该电阻上， P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到

—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。 漏极通态电流的连续值超过临界值IDM时产生的擎住效应称 为静态擎住现象。 IGBT在关断的过程中会产生动态的擎住效应。动态擎住 所允许的漏极电流比静态擎住时还要小，因此，制造厂家所规 定的IDM值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。

动态过程中擎住现象的产生主要由重加dv/dt来决定，此外 还受漏极电流IDM以及结温Tj等因素的影响。 在使用中为了避免IGBT发生擎住现象: 1.设计电路时应保证IGBT中的电流不超过IDM值； 2.用加大门极电阻RG的办法延长IGBT的关断时间，减小重加

dVDS/d t。3.器件制造厂家也在IGBT的工艺与结构上想方设法尽可能提 高IDM值，尽量避免产生擎住效应。