IGBT知識介紹

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極體)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。

IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。

非常適合應用於直流電壓為1500V的高壓變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

圖1所示為一個N 溝道增強型絕緣柵雙極電晶體結構， N+ 區稱為源區，附於其上的電極稱為源極。

N+ 區稱為漏區。

器件的控制區為柵區，附於其上的電極稱為柵極。

溝道在緊靠柵區邊界形成。

在漏、源之間的P 型區（包括P+ 和P 一區）（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（ Subchannel region ）。

而在漏區另一側的P+ 區稱為漏注入區（ Draininjector ），它是IGBT 特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP 雙極電晶體，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調製，以降低器件的通態電壓。

附於漏注入區上的電極稱為漏極。

IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 電晶體提供基極電流，使IGBT 導通。

反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT 關斷。

IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。

當MOSFET 的溝道形成後，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對N 一層進行電導調製，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。

IGBT 的工作特性包括靜態和動態兩類：

1 ．靜態特性IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關係曲線。

輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs 越高， Id 越大。

它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。

在截止狀態下的IGBT，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。

如果無N+ 緩衝區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩衝區後，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用範圍。

IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關係曲線。

它與MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小於開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處於關斷狀態。

在IGBT 導通後的大部分漏極電流範圍內， Id 與Ugs呈線性關係。

最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關係。

IGBT 處於導通態時，由於它的PNP 電晶體為寬基區電晶體，所以其B 值極低。

儘管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。

此時，通態電壓Uds(on) 可用下式表示

Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh

式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。

通態電流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

由於N+ 區存在電導調製效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 ～ 3V 。

IGBT 處於斷態時，只有很小的泄漏電流存在。

2 ．動態特性IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程後期，

PNP 電晶體由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。

td(on) 為開通延遲時間， tri 為電流上升時間。

實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和。

漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。

IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。

當選擇這些驅動電路時，必須基於以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。

因為IGBT柵極- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由於IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。

因為MOSFET關斷後，PNP電晶體的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。

實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間

t(off)=td(off)+trv十t(f) 式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。

IGBT的開關速度低於MOSFET，但明顯高於GTR。

IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極並聯電阻的增加而增加。

IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。

IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

正式商用的高壓大電流IGBT器件至今尚未出現，其電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求，特別是在高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上。

目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。

國外的一些廠家如瑞士ABB公司採用軟穿通原則研製出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。

與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要採用1ｕm以下製作工藝，研製開發取得一些新進展。

IGBT的發展歷史

1979年，MOS柵功率開關器件作為IGBT概念的先驅即已被介紹到世間。

這種器件表現為一個類晶閘管的結構（P-N-P-N四層組成），其特點是通過強鹼濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。

80年代初期，用於功率MOSFET製造技術的DMOS（雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體）工藝被採用到IGBT中來。

[2]在那個時候，矽晶片的結構是一種較厚的NPT（非穿通）型設計。

後來，通過採用PT（穿通）型結構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著改進，這是隨著矽片上外延的技術進步，以及採用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩衝層而進展的[3]。

幾年當中，這種在採用PT設計的外延片上製備的DMOS平面柵結構，其設計規則從5微米先進到3微米。

90年代中期，溝槽柵結構又返回到一種新概念的IGBT，它是採用從大規模集成（LSI）工藝借鑑來的矽干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型晶片結構。

[4]在這種溝槽結構中，實現了在通態電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。

矽晶片的重直結構也得到了急劇的轉變，先是採用非穿通（NPT）結構，繼而變化成弱穿通（LPT）結構，這就使安全工作區（SOA）得到同表面柵結構演變類似的改善。

這次從穿通（PT）型技術先進到非穿通（NPT）型技術，是最基本的，也是很重大的概念變化。

這就是：穿通（PT）技術會有比較高的載流子注入係數，而由於它要求對少數載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。

另一方面，非穿通（NPT）技術則是基於不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入係數卻比較低。

進而言之，非穿通（NPT）技術又被軟穿通（LPT）技術所代替，它類似於某些人所謂的「軟穿通」（SPT）或「電場截止」（FS）型技術，這使得「成本—性能」的綜合效果得到進一步改善。

1996年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極電晶體）使第5代IGBT模塊得以實現[6]，它採用了弱穿通（LPT）晶片結構，又採用了更先進的寬元胞間距的設計。

目前，包括一種「反向阻斷型」（逆阻型）功能或一種「反嚮導通型」（逆導型）功能的IGBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優化。

IGBT功率模塊採用IC驅動，各種驅動保護電路，高性能IGBT晶片，新型封裝技術，從複合功率模塊PIM發展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。

PIM向高壓大電流發展，其產品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用於變頻調速外，600A/2000V的IPM已用於電力機車VVVF逆變器。

平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用於艦艇上的飛彈發射裝置。

IPEM採用共燒瓷片多晶片模塊技術組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統效率，現已開發成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。

智能化、模塊化成為IGBT發展熱點。

現在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,現在已製造出集成化的IGBT專用驅動電路.其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。

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