IGBT是什么？一文解讀變頻器IGBT工作原理，幾分鐘帶你搞懂IGBT

今天給大家分享的是：IGBT（絕緣柵雙極型晶體管)。IGBT是變頻器的核心部件，自然要分外關(guān)注。在實(shí)際應(yīng)用中最流行和最常見的電子元器件是雙極結(jié)型晶體管 BJT 和 MOS管。

IGBT實(shí)物圖+電路符號(hào)圖

你可以把IGBT看作BJT和MOS管的融合體，IGBT具有BJT的輸入特性和MOS管的輸出特性。

與BJT或MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管IGBT優(yōu)勢在于它提供了比標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高工作電壓和更低MOS管輸入損耗。

01

什么是IGBT

IGBT是絕緣柵雙極晶體管的簡稱，是一種三端半導(dǎo)體開關(guān)器件，可用于多種電子設(shè)備中的高效快速開關(guān)。

IGBT主要用于放大器，用于通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 切換/處理復(fù)雜的波形。

你可以看到輸入側(cè)代表具有柵極端子的MOS管，輸出側(cè)代表具有集電極和發(fā)射極的BJT。

集電極和發(fā)射極是導(dǎo)通端子，柵極是控制開關(guān)操作的控制端子。

IGBT的電路符號(hào)與等效電路圖

02

IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)

IGBT有三個(gè)端子（集電極、發(fā)射極和柵極）都附有金屬層。然而，柵極端子上的金屬材料具有二氧化硅層。

IGBT結(jié)構(gòu)是一個(gè)四層半導(dǎo)體器件。四層器件是通過組合PNP和NPN晶體管來實(shí)現(xiàn)的，它們構(gòu)成了PNPN排列。

IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

如上圖所示，最靠近集電極區(qū)的層是 (p+) 襯底，即注入?yún)^(qū)；在它上面是 N 漂移區(qū)域，包括 N 層。注入?yún)^(qū)將大部分載流子（空穴電流）從 (p+) 注入 N- 層。

漂移區(qū)的厚度決定了 IGBT 的電壓阻斷能力。

漂移區(qū)域的上面是主體區(qū)域，它由 (p) 基板組成，靠近發(fā)射極，在主體區(qū)域內(nèi)部，有 (n+) 層。

注入?yún)^(qū)域和 N 漂移區(qū)域之間的連接點(diǎn)是 J2。類似地，N-區(qū)域 和 主體區(qū)域之間的結(jié)點(diǎn)是結(jié)點(diǎn) J1。

注意：IGBT 的結(jié)構(gòu)在拓?fù)渖项愃朴凇癕OS”柵極的晶閘管。但是，晶閘管動(dòng)作和功能是可抑制的，這意味著在 IGBT 的整個(gè)器件工作范圍內(nèi)只允許晶體管動(dòng)作。IGBT 比晶閘管更可取，因?yàn)榫чl管等待過零的快速切換。

03

IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通過激活或停用其柵極端子來開啟或關(guān)閉。

如果正輸入電壓通過柵極，發(fā)射極保持驅(qū)動(dòng)電路開啟。另一方面，如果 IGBT 的柵極端電壓為零或略為負(fù)，則會(huì)關(guān)閉電路應(yīng)用。

由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實(shí)現(xiàn)的放大量是其輸出信號(hào)和控制輸入信號(hào)之間的比率。

對(duì)于傳統(tǒng)的 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們將其稱為 Beta 并表示為 β。

另一方面，對(duì)于 MOS管，沒有輸入電流，因?yàn)闁艠O端子是主通道承載電流的隔離。我們通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

IGBT 結(jié)構(gòu)圖

如圖所示，當(dāng)集電極相對(duì)于發(fā)射極處于正電位時(shí)，N 溝道 IGBT 導(dǎo)通，而柵極相對(duì)于發(fā)射極也處于足夠的正電位 (>V GET )。這種情況導(dǎo)致在柵極正下方形成反型層，從而形成溝道，并且電流開始從集電極流向發(fā)射極。

IGBT 中的集電極電流 Ic 由兩個(gè)分量 Ie和 Ih 組成。Ie 是由于注入的電子通過注入層、漂移層和最終形成的溝道從集電極流向發(fā)射極的電流。Ih 是通過 Q1 和體電阻 Rb從集電極流向發(fā)射極的空穴電流。因此盡管 Ih幾乎可以忽略不計(jì)，因此 Ic ≈ Ie。

在 IGBT 中觀察到一種特殊現(xiàn)象，稱為 IGBT 的閂鎖。這發(fā)生在集電極電流超過某個(gè)閾值（ICE）。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵極端子失去對(duì)集電極電流的控制，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無法關(guān)閉。

現(xiàn)在要關(guān)斷 IGBT，我們需要典型的換流電路，例如晶閘管強(qiáng)制換流的情況。如果不盡快關(guān)閉設(shè)備，可能會(huì)損壞設(shè)備。

集電極電流公式

下圖很好地解釋IGBT的工作原理，描述了 IGBT 的整個(gè)器件工作范圍。

IGBT的工作原理圖

IGBT 僅在柵極端子上有電壓供應(yīng)時(shí)工作，它是柵極電壓，即 VG。如上圖所示，一旦存在柵極電壓 ( VG ) ，柵極電流 ( IG ) 就會(huì)增加，然后它會(huì)增加?xùn)艠O-發(fā)射極電壓 ( VGE )。

因此，柵極-發(fā)射極電壓增加了集電極電流 ( IC )。因此，集電極電流 ( IC ) 降低了集電極到發(fā)射極電壓 ( VCE )。

注意：IGBT 具有類似于二極管的電壓降，通常為 2V 量級(jí)，僅隨著電流的對(duì)數(shù)增加。

IGBT 使用續(xù)流二極管傳導(dǎo)反向電流，續(xù)流二極管放置在 IGBT 的集電極-發(fā)射極端子上。

04

IGBT的等效電路

IGBT的近似等效電路由 MOS 管和 PNP 晶體管(Q1 )組成,考慮到 n- 漂移區(qū)提供的電阻，電阻 Rd已包含在電路中，如下圖所示：

IGBT 的近似等效電路

仔細(xì)檢查 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)，可以得出這個(gè)等效電路，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

等效電路圖的基本結(jié)構(gòu)

穿通 IGBT、PT-IGBT：穿通 IGBT、PT-IGBT 在發(fā)射極接觸處具有 N+ 區(qū)。

觀察上面顯示 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)，可以看到到從集電極到發(fā)射極存在另一條路徑，這條路徑是集電極、p+、n- 、 p（n 通道）、n+ 和發(fā)射極。

因此，在 IGBT 結(jié)構(gòu)中存在另一個(gè)晶體管 Q2作為 n – pn+，因此，我們需要在近似等效電路中加入這個(gè)晶體管 Q2以獲得精確的等效電路。

IGBT 的精確等效電路如下所示：

IGBT的精確等效電路圖

該電路中的 Rby 是 p 區(qū)對(duì)空穴電流的流動(dòng)提供的電阻。

眾所周知，IGBT是 MOS 管的輸入和 BJT 的輸出的組合，它具有與N溝道MOS管和達(dá)林頓配置的PNP BJT等效的結(jié)構(gòu)，因此也可以加入漂移區(qū)的電阻。

05

IGBT 的特性--靜態(tài) VI 特性

下圖顯示了 n 溝道 IGBT 的靜態(tài) VI 特性以及標(biāo)有參數(shù)的電路圖，該圖與 BJT 的圖相似，只是圖中保持恒定的參數(shù)是 VGE，因?yàn)?IGBT 是電壓控制器件，而 BJT 是電流控制器件。

IGBT的靜態(tài)特性圖

當(dāng) IGBT 處于關(guān)閉模式時(shí)（VCE為正且 VGE < VGET），反向電壓被 J 2 阻斷，當(dāng)它被反向偏置時(shí)，即 VCE為負(fù)，J 1 阻斷電壓。

06

IGBT 的特性--開關(guān)特性

IGBT 是電壓控制器件，因此它只需要一個(gè)很小的電壓到柵極即可保持導(dǎo)通狀態(tài)。

由于是單向器件， IGBT 只能在從集電極到發(fā)射極的正向切換電流。IGBT的典型開關(guān)電路如下所示，柵極電壓 VG施加到柵極引腳以從電源電壓 V+ 切換電機(jī) (M)。電阻 Rs 大致用于限制通過電機(jī)的電流。

IGBT的典型開關(guān)電路圖

下圖顯示了IGBT 的典型開關(guān)特性。

IGBT 的典型開關(guān)特性

01

01

導(dǎo)通時(shí)間（ t on）

通常由延遲時(shí)間 (t dn ) 和上升時(shí)間 (t r ) 兩部分組成。

02

延遲時(shí)間 （t dn )

定義為集電極電流從漏電流 ICE上升到 0.1 IC（最終集電極電流）和集電極發(fā)射極電壓從 VCE下降到 0.9VCE的時(shí)間。

03

上升時(shí)間 （t r )

定義為集電極電流從 0.1 IC上升到 IC以及集電極-發(fā)射極電壓從 0.9V CE下降到 0.1 VCE的時(shí)間。

04

關(guān)斷時(shí)間（ t off）

由三個(gè)部分組成，延遲時(shí)間 (t df )、初始下降時(shí)間 (t f1 ) 和最終下降時(shí)間 (t f2 )。

05

延遲時(shí)間 （t df )

定義為集電極電流從 I C下降到 0.9 I C并且 V CE開始上升的時(shí)間。

06

初始下降時(shí)間 （t f1 )

集電極電流從 0.9 I C下降到 0.2 I C并且集電極發(fā)射極電壓上升到 0.1 V CE的時(shí)間。

07

最終下降時(shí)間 （t f2 )

定義為集電極電流從 0.2 I C下降到 0.1 I C并且 0.1V CE上升到最終值 V CE的時(shí)間。

關(guān)斷時(shí)間公式

導(dǎo)通時(shí)間公式

07

IGBT 的特性--輸入特性

下圖可以理解IGBT的輸入特性。開始，當(dāng)沒有電壓施加到柵極引腳時(shí)，IGBT 處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有電流流過集電極引腳。

當(dāng)施加到柵極引腳的電壓超過閾值電壓時(shí)，IGBT 開始導(dǎo)通，集電極電流 I G開始在集電極和發(fā)射極端子之間流動(dòng)。集電極電流相對(duì)于柵極電壓增加，如下圖所示。

IGBT的輸入特性圖

08

IGBT 的特性--輸出特性

由于 IGBT 的工作依賴于電壓，因此只需要在柵極端子上提供極少量的電壓即可保持導(dǎo)通。

IGBT 與雙極功率晶體管相反，雙極功率晶體管需要在基極區(qū)域有連續(xù)的基極電流流動(dòng)以保持飽和。

IGBT 是單向器件，這意味著它只能在“正向”（從集電極到發(fā)射極）開關(guān)。

IGBT 與具有雙向電流切換過程的 MOS 管正好相反。MOS管正向可控，反向電壓不受控制。

在動(dòng)態(tài)條件下，當(dāng) IGBT 關(guān)閉時(shí)， 可能會(huì)經(jīng)歷閂鎖電流，當(dāng)連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)驅(qū)動(dòng)電流似乎超過臨界值時(shí)，這就是閂鎖電流。

此外，當(dāng)柵極-發(fā)射極電壓低于閾值電壓時(shí)，會(huì)有少量漏電流流過 IGBT ，此時(shí)，集電極-發(fā)射極電壓幾乎等于電源電壓，因此，四層器件 IGBT 工作在截止區(qū)。

IGBT 的輸出特性圖

IGBT 的輸出特性分為三個(gè)階段：

第一階段：當(dāng)柵極電壓 VGE 為零時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)，這稱為截止區(qū)。

第二階段：當(dāng) VGE 增加時(shí)，如果它小于閾值電壓，那么會(huì)有很小的漏電流流過 IGBT ，但I(xiàn) GBT 仍然處于截止區(qū)。

第三階段：當(dāng) VGE增加到超過閾值電壓時(shí)，IGBT 進(jìn)入有源區(qū)，電流開始流過 IGBT 。如上圖所示，電流將隨著電壓 VGE的增加而增加。

09

IGBT 的優(yōu)缺點(diǎn)

IGBT作為一個(gè)整體兼有BJT和MOS管的優(yōu)點(diǎn)。

1、優(yōu)點(diǎn)

• 具有更高的電壓和電流處理能力。
• 具有非常高的輸入阻抗。
• 可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。
• 電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。
• 柵極驅(qū)動(dòng)電路簡單且便宜，降低了柵極驅(qū)動(dòng)的要求
• 通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或負(fù)電壓可以很容易地關(guān)閉它。
• 具有非常低的導(dǎo)通電阻。
• 具有高電流密度，使其能夠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 更高的開關(guān)速度。
• 可以使用低控制電壓切換高電流電平。
• 由于雙極性質(zhì)，增強(qiáng)了傳導(dǎo)性。
• 更安全

2、缺點(diǎn)

• 開關(guān)速度低于 MOS管。
• 單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。
• 不能阻擋更高的反向電壓。
• 比 BJT 和 MOS管 更昂貴。
• 類似于晶閘管的 PNPN 結(jié)構(gòu)，它存在鎖存問題。
• 與 PMOS 管 相比，關(guān)斷時(shí)間長。
• 類似于晶閘管的 PNPN 結(jié)構(gòu)，它存在鎖存問題。
• 與 PMOS 管 相比，關(guān)斷時(shí)間長。
• 

相關(guān)鏈接：變頻器IGBT場效應(yīng)管故障原理及維修方法!

            一文解析變頻器IGBT模塊的靜態(tài)測量