IGBT工作原理,解析IGBT工作原理及作用

一、IGBT是什么
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极晶体管由BJT和MOS复合全控电压驱动功率半导体器件由绝缘栅场效应管组成， 兼有MOSFET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，但驱动电流大；MOSFET驱动功率小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT结合上述两种设备的优点，驱动功率小，饱和压降低。非常适合直流电压600V交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等上述变流系统。

通俗来讲:IGBT它是一种大功率电力电子设备，是一种非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导线可以看作是导线，断开时可以看作是开路。高压、大电流、高速三大特点。

二、IGBT模块

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor缩写(绝缘栅双极晶体管)，IGBT是由MOSFET一种与双极晶体管复合而成的装置，其输入极其MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两个器件的优点，既有MOSFET具有驱动功率小、开关速度快的优点，它还具有双极装置饱和压降和容量大的优点，其频率特性介于MOSFET它可以在几十个功率晶体管之间正常工作kHz在频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在高频、中功率应用中占据了主导地位。

IGBT如图1所示。从图1可以看出，若在IGBT驱动正电压加在栅极和发射极之间，MOSFET导通，这样PNP如果晶体管的集电极与基极之间存在低阻状态，晶体管就会导致；IGBT格栅极与发射极之间的电压为0V，则MOS 截止，切断PNP晶体管基极电流的供应使晶体管截止。IGBT与MOSFET它也是一种电压控制装置，在其栅极-发射极之间施加十几V直流电压，只有在uA漏电流过，基本不消耗功率。

1、IGBT模块的选择

IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源密切相关，即试电电源电压。见下表。使用中当IGBT当模块集电极电流增加时，额定损耗也会增加。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增加，发热加剧，选择时应降低。

2、 使用中的注意事项

由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT栅极通过一层氧化膜与发射极隔离。由于氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20~30V。因此，由静电引起的栅极击穿IGBT失效的常见原因之一。因此，在使用中应注意以下几点：

使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子。当必须触摸模块端子时，用大电阻将人体或衣服上的静电接地放电，然后触摸；

用导电材料连接模块驱动端子时，请不要在接线前连接模块；

尽量在底板接地良好的情况下操作。

在应用中，虽然格栅极的驱动电压有时不超过格栅极的最大额定电压，但格栅极连接的寄生电感和格栅极与集电极之间的电容耦合也会产生损坏氧化层的振荡电压。因此，双绞线通常用于传输驱动信号，以减少寄生电感。在格栅极连接中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

此外，当栅极-发射极之间开路时，如果在集电极和发射极之间增加电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极泄漏电流，栅极电位增加，集电极有电流。此时，如果集电极与发射极之间有高电压，则可能会使IGBT发烧和损坏。

在使用IGBT当栅极电路异常或栅极电路损坏（栅极处于开路状态）时，如果在主电路上增加电压，则IGBT会损坏。为了防止此类故障，应在栅极和发射极之间串联10个KΩ左右电阻。

安装或更换IGBT应高度重视模块IGBT模块与散热器的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器和IGBT导热硅脂涂在模块之间。一般散热器底部安装散热风扇，散热风扇损坏时散热器散热不良IGBT模块发热，发生故障。因此，散热风扇应定期检查，一般靠近散热器IGBT温度传感器安装在模块的位置，温度过高时报警或停止IGBT模块工作。

三、IGBT驱动电路
IGBT驱动电路的作用主要是放大单片机脉冲输出的功率，以实现驱动IGBT功率设备的目的。IGBT器件可靠、稳定、安全工作的前提，驱动电路起到至关重要的作用。

IGBT符合图1所示的等效电路，IGBT由栅极正负电压控制。加正栅极电压时，管道导通；加负栅极电压时，管道关闭。

IGBT具有类似于双极电力晶体管的伏安特性，控制电压UGE特征曲线向上移动。开关电源IGBT通过UGE电平的变化使其在饱和和截止日期交替工作。

(1)提供适当的正反向电压IGBT可以可靠地打开和关闭。当正偏压升高时IGBT但是，如果通态压降和开启损耗下降，UGE如果负载过大，则负载短路IC随UGE增加和增加不利于其安全性UGEν15V最好是负偏电压可以防止浪涌电流在关闭时过大IGBT误导通，一般选择UGE=-5V为宜。

(2)IGBT综合考虑开关时间。快速开关有利于提高工作频率，减少开关损耗。但在大电感负载下，IGBT开启频率不宜过大，因为高速开启和关闭会产生高峰电压，并可能导致IGBT击穿自身或其它元件。

(3)IGBT开启后，驱动电路应提供足够的电压和电流幅值IGBT在正常工作和过载条件下，不会退出饱和而损坏。

(4)IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能影响很大，RG大，有利于抑制IGBT但电流上升率和电压上升率会增加IGBT开关时间和开关损失；RG较小会导致电流上升率增加IGBT误导或损坏。RG具体数据及驱动电路的结构及IGBT与容量有关，一般在几欧~几十欧，小容量IGBT其RG值较大。

(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力IG2BT保护功能。IGBT的控制、 驱动和保护电路应与其高速开关特性相匹配，另外，在不采取适当的防静电措施的情况下，G—E不能开路。

四、IGBT的结构
IGBT它是一个有栅极的三端器件G、集电极c和发射极E。IGBT如图所示，结构、简化等效电路和电气图形符号。

N沟道如图所示VDMOSFFT与GTRN沟组合IGBT(N-IGBT)内部结构断面示意图。IGBT比VDMOSFET多一层P 注入区，形成丁一个大面积的PN结J1。由于IGBT导通时由P 注入区向N基区发射少子，从而调制漂移区的电导率IGBT通流能力强。介于P 注入区与N-漂移区之间N 层称为缓冲区。决定是否有缓冲区IGBT具有不同特性。有N*缓冲区的IGBT称为非对称型IGBT，也称穿通型IGBT。它具有正压降低、犬断时间短、尾电流小等优点，但其反向阻断能力相对较弱。无N-缓冲区的IGBT称为对称型IGBT，又称非穿通型IGBT。它有很强的正反向阻断能力，但其他特性不如不对称型IGBT。

如图2-42 (b)简化等效电路显示，IGBT是由GTR与MOSFET达林顿结构的组成部分是MOSFET另一部分是厚基区PNP型晶体管。

五、IBGT的工作原理
简单来说，IGBT相当于一个原因MOSFET驱动厚基区PNP晶体管的简化等效电路如图2-42所示(b)图中所示RN为PNP晶体管基区的调制电阻。从这个等效电路可以清楚地看出，IGBT是用晶体管和MOSFET由达林顿结构组成的复合器件。图中冈为的晶体管PNP型晶体管，MOSFET这种结构适用于N沟场效应晶体管IGBT称为N沟道IIGBT，其符号为N-IGBT。还有类似的P沟IGBT，即P- IGBT。

IGBT如图2-42所示所示。IGBT它是一种由栅极和发射极间电压开启和关闭的场装置UGE当栅射电压时，决定UCE正而大于开启电压UCE（th）时，MOSFET在内部形成沟通PNP晶体管提供基极电流IGBT此时，从P 区注入N-空穴(少数载流子)对N-区内电导调制减少N-区的电阻RN，使高耐压的IGBT通态压降也很小。当网射极间没有信号或反向电压时，MOSFET内沟消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。当网射极间没有信号或反向电压时，MOSFET内沟消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关闭。IGBT驱动原理及MOSFET基本相同。

①当UCE为负时：J3结处于反偏状态，设备处于反向阻断状态。

②当uCE为正时：UC< UTH，无法形成沟通，设备处于正阻状态；UG>UTH，由于载流子的相互作用，绝缘门极下形成N沟N-该区域产生电导调制，使设备正向导通。

1)导通

IGBT硅片的结构和功率MOSFET结构非常相似，主要区别是JGBT增加了P 基片和一个N 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT这部分技术没有增加)，其中之一MOSFET驱动两个双极器件(两个极性器件)。在管体中使用基板P、和N 区间创造了一个J，结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道便形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET产生电流的方法。如果电子流产生的电压为0.7V范围内，则J1将处于正向偏压，注入一些空穴N-并进行调整N-与N 电阻率降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最终的结果是，在半导体层面上有两种不同的电流拓扑：一种电子流（MOSFET电流)；空穴电流(双极)。当UCE大于开启电压UCE(th），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减少，减少通态压降。所谓通态压降，指IGBT进入导通状态的管压降UDS，这个电压随UCS上升而下降。

3)关断

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET的电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是阂为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少于）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形。集电极电流将引起功耗升高、交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的Tc、IC：和uCE密切相关，并且与空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。当栅极和发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。

4)反向阻断

当集电极被施加一个反向电压时，J，就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以这个机制十分重要。另外，如果过大地增加这个区域的尺寸，就会连续地提高压降。

5)正向阻断

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，J，结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区巾的耗尽层承受外部施加的电压。

6)闩锁

ICBT在集电极与发射极之间有—个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁。具体来说，产生这种缺陷的原因各不相同，但与器件的状态有密切关系
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