电力电子技术基础教学课件作者邢岩第1章节电力半导体器件课件幻灯片.ppt

1.4.4绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 1.基本结构和工作原理 IGBT具有穿通型结构,N+和N－在一块P型基片上外延生长而成。比MOSFET多一个P+层（引出IGBT的集电极），形成四层结构。 IGBT可等效为由一个MOSFET和一个PNP-NPN晶体管级联而成，由于NPN晶体管的基极和发射极短路，设计时尽可能使NPN不起作用，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管，故IGBT的驱动原理与功率MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断由栅极和发射极间的电压决定，当UGE为正且大于开启电电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。IGBT导通时，P+区向N+区发射少子，从而对N－漂移区电导率进行调制，N－漂移区的电阻减小，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。 当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。IGBT电流由两部分组成：一是MOSFET的沟道电流i1，另一是PNP晶体管的集电极电流i2。其中i1是IGBT电流的主要部分。当MOSFET沟道消失后，i1消失，晶体管的基极电流被切断，但由于N－漂移区存储的少子没有任何排放回路，只能在N－漂移区内通过再结合而慢慢消失，因此，晶体管的集电极电流i2并不会立即消失，这就导致IGBT的关断时间要远远大于MOSFET的关断时间。 2.基本特性 (1)静态特性 第一象限分为三个区：正向截止、主动区域和饱和区域；第三象限为IGBT的反向特性。 2.基本特性 (1)静态特性 正向截止：当栅极－发射极电压UGE小于栅极－发射极开启电压UGE(th)时，J2结呈反向阻断状态，集电极和发射极端子之间仅存在着一个很小的集电极－发射极参与漏电流ICES。 ICES随UCE增加而略微增加。当UCE大于某一最高允许的集电极－发射极电压UCES时，IGBT的PIN结（P体区/N－漂移区/N外延生长层）会出现锁定效应。从物理的角度来说，UCES对应IGBT结构中PNP晶体管的击穿电压UCER 。 主动区域：当UCE只是略大于UGE(th)时，由于沟道电流的饱和效应，沟道会出现一个可观的压降（输出特性中的水平线）。此时，集电极电流跟随UCE而变化。对于工作在开关状态的IGBT，这一区域只是在开关过程中被经过，一般不允许在这一区域稳定运行。 饱和区域：在这一区域，集电极电流IC仅由外电路决定。IGBT导通时工作在此区域。由于N－漂移区的少子泛滥，电导调制，IGBT的饱和压降明显低于同类型MOSFET的通态压降，耐压1000V的IGBT通态压降为2～3V。 反向特性：由于IGBT集电极端的PN结处于截止状态，因此，IGBT不具备反向导通的能力。该PN结不能承受高反偏电压，所以IGBT的反向截止电压仅在数十伏上下。对于需要IGBT承受高反向电压的应用来说，到目前为止全部采用了混合结构，即在模块中串连一个快速二极管。 (2)开关特性 IGBT与MOSFET具有相同的栅极结构，因此它们的开关特性也大致相似，下面是IGBT与MOSFET不同的地方。 IGBT开通时，集－射极间电压会在数十纳秒内迅速下降到某一数值，该数值对应了N－漂移区的电压降。对于MOSFET来说，这就是它的通态压降UDS(on)=ID·R DS(on)。但对于IGBT来说，P集电极区同时向N－漂移区注入少子，在这个过程（约100ns至数us）达到稳定后，IGBT才达到其饱和压降的静态值UCE(sat)，对于高截止电压的器件来说，由于电导调制效应，这一值相对较低。 MOSFET关断时，内部电容需要放电并反向充电，直至沟道区的电荷载子的作用完全被消除，MOSFET关断。但对于IGBT，发射极电流在N－漂移区被关断后，N－漂移区内还存在着大量的少子，必需通过再结合的方式被清除。这一过程导致了所谓的集电极拖尾电流。因为该尾流下降的过程可持续数微秒，而此时集－射极电压已经开始上升，所以在硬关断过程中，IGBT的关断损耗在相当程度上由拖尾电流所决定，并明显高压MOSFET的关断损耗。 3.主要参数 最大集－射极间电压UCES：由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定。 集－射极间饱和电压UCE(sat)：IGBT饱和导通时通过额定电流时的集－射极间电压，该值表征IGBT的通态损耗，选用时应选UCE(sat)小的IGBT管。 栅极开启电压UGE(th)：使IGBT导通所需的最小栅－射电压。 集电极额定电流ICN：允许的集电极最大直流电流，在实际应用中，应选其实际使用的平均电流值IC=(1/2~1/3) ICN。 集电极脉冲峰值电流ICP：在一定脉冲宽度工作