详解IGBT工作原理几分钟搞定IGBT！.docx

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1、在实际应用中最流行和最常见的电子元器件是双极结型晶体管BJT和MOS管。IGBT实物图+电路符号图行可以/IGBT看作BJT和MOS管的融合体,IGBT具有BJT的输入特性和MOS管的输出特性。与BJT或MOS管相比,绝缘栅双极型晶体管IGBT的优势在于它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高的工作电压和更低的MOS管输入损耗。一什么是IGBT?IGBT是绝缘栅双极晶体管的简称，是一种三端半导体开关器件，可用于多种电子设备中的高效快速开关。IGBT主要用于放大器用于通过脉冲宽度调制(PWM)切换/处理复杂的波形。你可以看到输入侧代表具有栅极端子的MOS管,输出侧代表具有集电极和发射极

2、的BJTo集电极和发射极是导通端子，栅极是控制开关操作的控制端子。PNP晶体管集电极IGBT的电路符号与等效电路图二.IGBT内部结构IGBT有三个端子（集电极、发射极和栅极）都附有金属层。然而，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件是通过组合PNP和NPN晶体管来实现的,它们构成了PNPN排列。金属主体区域漂移区P+注入区Si。?IGBT的内部结构图如上图所示，最靠近集电极区的层是(p)衬底，即注入区；在它上面是N漂移区域，包括N层。注入区将大部分载流子(空穴电流)从(p)注入N-层。漂移区的厚度决定了IGBT的电压阻断能力。漂移区域的上面是主体区域，

3、它由(P)基板组成，靠近发射极，在主体区域内部，有(n)层。注入区域和N漂移区域之间的连接点是J2。类似地，N-区域和主体区域之间的结点是结点Jl0注意：IGBT的结构在拓扑上类似于“M0S”栅极的晶闸管。但是，晶闸管动作和功能是可抑制的，这意味着在IGBT的整个器件工作范围内只允许晶体管动作。IGBT比晶闸管更可取，因为晶闸管等待过零的快速切换。三、IGBT工作原理IGBT的工作原理是通过激活或停用其栅极端子来开启或关闭。如果正输入电压通过栅极，发射极保持驱动电路开启。另一方面，如果IGBT的栅极端电压为零或略为负，则会关闭电路应用。由于IGBT既可用作BJT又可用作MOS管,因此它实现的放

4、大量是其输出信号和控制输入信号之间的比率。对于传统的BJT,增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同，我们将其称为Beta并表示为Po另一方面，对于MOS管，没有输入电流，因为栅极端子是主通道承载电流的隔离。我们通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定IGBT的增益。IGBT结构图如下图所示，当集电极相对于发射极处于正电位时,N沟道IGBT导通,而栅极相对于发射极也处于足够的正电位OVGET）o这种情况导致在栅极正下方形成反型层,从而形成沟道,并且电流开始从集电极流向发射极。IGBT中的集电极电流Ic由两个分量Ie和Ih组成。Ie是由于注入的电子通过注入层、漂移层和最终形成的沟道从集电极流向发

5、射极的电流。Ih是通过Ql和体电阻Rb从集电极流向发射极的空穴电流。因此,尽管Ih几乎可以忽略不计，因此IcIe0在IGBT中观察到一种特殊现象，称为IGBT的闩锁。这发生在集电极电流超过某个阈值（ICE）。在这种情况下，寄生晶闸管被锁定，栅极端子失去对集电极电流的控制，即使栅极电位降低到VGET以下,IGBT也无法关闭。现在要关断IGBT,我们需要典型的换流电路，例如晶闸管强制换流的情况。如果不尽快关闭设备，可能会损坏设备。IC=Ie+&集电极电流公式下图很好地解释IGBT的工作原理，描述了IGBT的整个器件工作范围。IGBT的工作原理图IGBT仅在栅极端子上有电压供应时工作，它是栅极电压，

6、即VGo如上图所示，一旦存在栅极电压(VG),栅极电流(IG)就会增加，然后它会增加栅极-发射极电压(VGE)。因此,栅极-发射极电压增加了集电极电流(IC)。因此,集电极电流(IC)降低了集电极到发射极电压(VCE)o注意：IGBT具有类似于二极管的电压降，通常为2V量级，仅随着电流的对数增加。IGBT使用续流二极管传导反向电流，续流二极管放置在IGBT的集电极-发射极端子上。四.IGBT的等效电路IGBT的近似等效电路由MOS管和PNP晶体管(Ql)组成,考虑到n-漂移区提供的电阻，电阻Rd已包含在电路中，如下图所示:仔细检查IGBT的基本结构，可以得出这个等效电路,基本结构如下图所示。等

7、效电路图的基本结构穿通IGBT、PT-IGBT：穿通IGBT、PT-IGBT在发射极接触处具有N+区。观察上面显示IGBT的基本结构，可以看到到从集电极到发射极存在另一条路径,这条路径是集电极、p+、n-、p（n通道）、n+和发射极。因此,在IGBT结构中存在另一个晶体管Q2作为n-pn+,因此,我们需要在近似等效电路中加入这个晶体管Q2以获得精确的等效电路。IGBT的精确等效电路如下所示：C主电流路径P体电阻IGBT的精确等效电路图寄生晶 闸管P+QP该电路中的Rby是p区对空穴电流的流动提供的电阻。众所周知，IGBT是MoS管的输入和BJT的输出的组合,它具有与N沟道MOS管和达林顿配置的

8、PNPBJT等效的结构,因此也可以加入漂移区的电阻。五.IGBT的特性一静态VI特性下图显示了n沟道IGBT的静态VI特性以及标有参数的电路图，该图与BJT的图相似，只是图中保持恒定的参数是VGE,因为IGBT是电压控制器件，而BJT是电流控制器件。TL$+_-Gvc.Vb电路原理图静态I-V特性C OIGBT的静态特性图当IGBT处于关闭模式时（VCE为正且VGEVGET）,反向电压被J2阻断，当它被反向偏置时，即VCE为负，J1阻断电压。六、IGBT的特性开关特性IGBT是电压控制器件，因此它只需要一个很小的电压到栅极即可保持导通状态。由于是单向器件，IGBT只能在从集电极到发射极的正向切

9、换电流。IGBT的典型开关电路如下所示，栅极电压VG施加到栅极引脚以从电源电压V+切换电机（M）。电阻Rs大致用于限制通过电机的电流。+vIGBT的典型开关电路图下图显示了IGBT的典型开关特性。IGBT的典型开关特性导通时间(ton)：通常由延迟时间(tdn)和上升时间(tr)两部分组成。延迟时间(tdn)：定义为集电极电流从漏电流ICE上升到0.1IC(最终集电极电流)和集电极发射极电压从VCE下降到0.9VCE的时间。上升时间(tr)：定义为集电极电流从0.1IC上升到IC以及集电极-发射极电压从0.9VCE下降到0.1VCE的时间。关断时间(toff):由三个部分组成，延迟时间(tdf

10、)、初始下降时间(tfl)和最终下降时间(tf2)o延迟时间(tdf)：定义为集电极电流从IC下降到0.9IC并且VCE开始上升的时间。初始下降时间(tfl)：集电极电流从09IC下降到0.2IC并且集电极发射极电压上升到0.1VCE的时间。最终下降时间(tf2)：定义为集电极电流从0.2Ie下降到0.1IC并且0.IVCE上升到最终值VCE的时间。toff=tdf+tfl+tf2关断时间公式*=tdn+tr导通时间公式七、IGBT的特性一输入特性下图可以理解IGBT的输入特性。开始，当没有电压施加到栅极引脚时，IGBT处于关闭状态，没有电流流过集电极引脚。当施加到栅极引脚的电压超过阈值电压时

11、，IGBT开始导通，集电极电流IG开始在集电极和发射极端子之间流动。集电极电流相对于栅极电压增加，如下图所示。IC阈电压VGkIGBT的输入特性图八、IGBT的特性一输出特性由于IGBT的工作依赖于电压，因此只需要在栅极端子上提供极少量的电压即可保持导通。IGBT与双极功率晶体管相反，双极功率晶体管需要在基极区域有连续的基极电流流动以保持饱和。IGBT是单向器件，这意味着它只能在“正向“（从集电极到发射极）开关。IGBT与具有双向电流切换过程的MOS管正好相反。MOS管正向可控，反向电压不受控制。在动态条件下，当IGBT关闭时，可能会经历闩锁电流，当连续导通状态驱动电流似乎超过临界值时，这就是

12、闩锁电流。此外，当栅极发射极电压低于阈值电压时,会有少量漏电流流过IGBT,此时,集电极-发射极电压几乎等于电源电压,因此,四层器件IGBT工作在截止区。IGBT的输出特性图IGBT的输出特性分为三个阶段：第一阶段：当栅极电压VGE为零时，IGBT处于关断状态，这称为截止区。第二阶段：当VGE增加时，如果它小于阈值电压，那么会有很小的漏电流流过IGBT,但IGBT仍然处于截止区。第三阶段：当VGE增加到超过阈值电压时，IGBT进入有源区，电流开始流过IGBTO如上图所示，电流将随着电压VGE的增加而增加。九.IGBT的优缺点IGBT作为一个整体兼有BJT和MOS管的优点。1、优点- 具有更高的

13、电压和电流处理能力。- 具有非常高的输入阻抗。- 可以使用非常低的电压切换非常高的电流。- 电压控制装置，即它没有输入电流和低输入损耗。- 栅极驱动电路简单且便宜，降低了栅极驱动的要求- 通过施加正电压可以很容易地打开它通过施加零电压或负电压可以很容易地关闭它。- 具有非常低的导通电阻。- 具有高电流密度，使其能够具有更小的芯片尺寸。- 具有比BJT和MOS管更高的功率增益。- 具有比BJT更高的开关速度。- 可以使用低控制电压切换高电流电平。- 由于双极性质，增强了传导性。- 更安全2、缺点- 开关速度低于MOS管。- 单向的，在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。- 不能阻挡更高的反向电压。- 比BJT和MOS管更昂贵。- 类似于晶闸管的PNPN结构，它存在锁存问题。- 与PMOS管相比，关断时间长。- 类似于晶闸管的PNPN结构，它存在锁存问题。- 与PMOS管相比，关断时间长。