IGBT的结构、原理及基本特性、开关过程
1.4典型全控型器件作者：admin文章来源：本站原创点击数231更新时间：2005-6-7文章录入：admin责任编辑：admin
1.4.4绝缘栅双极晶体管
² GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂
² MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单
Ø 两类器件取长补短结合而成的复合器件——Bi-MOS器件
Ø 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT）
² GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特性
² 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，中小功率电力电子设备的主导器件
² 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位
1. IGBT的结构和工作原理
三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
图1-22IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图b) 简化等效电路c) 电气图形符号
Ø IGBT的结构
² 图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT）
² IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1
——使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力
² 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管
² RN为晶体管基区内的调制电阻
Ø IGBT的原理
² 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定
² 导通：，uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通
² 导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小
² 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断
2. IGBT的基本特性
1)IGBT的静态特性
Ø 转移特性——IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似
开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压
UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25°C时，UGE(th)的值一般为2~6V
Ø 输出特性（伏安特性）——以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系
分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应
uCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态
2)IGBT的动态特性
图1-24IGBT的开关过程
Ø IGBT的开通过程
² 与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行
² 开通延迟时间td(on) ——从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM
² 电流上升时间tr ——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间
² 开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和
²
uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程
Ø IGBT的关断过程
² 关断延迟时间td(off) ——从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM
² 电流下降时间——iC从90%ICM下降至10%ICM
² 关断时间toff——关断延迟时间与电流下降时间之和
²
电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢
² IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET
² IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数
3. IGBT的主要参数
1)最大集射极间电压UCES由内部PNP晶体管的击穿电压确定
2)最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP
3)最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗 缺点是没图
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