IGBT绝缘栅双极晶体管
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的英文缩写
绝缘门双极性晶体管
绝缘栅双极晶体管缩写IGBT
MOSFET是场效应管，因为只有一个极性的粒子导电，又称为单极性晶体管。
是功率管，有放大作用，IGBT的本质就是一个场效应管，不过是在场效应管的基础上
加上了P+层。是结合了场效应管＆双极性晶体管的特点。
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。IGBT基本结构见图1中的纵剖面图及等效电路。
导通
IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。
当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流(双极)。
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电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。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，集电极电流引起以下问题：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温度、IC 和VCE密切相关的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，尾流特性与VCE、IC和TC之间的关系如图2所示。
反向阻断
当集电极被施加一个反向电压时，J1 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。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。
第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因。
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，P/N J3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。
闩锁
IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管，如图1所示。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，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：
当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。
只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。
为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：
防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。
降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。
此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1：5。
正向导通特性
在通态中，IGBT可以按照“第一近似”和功率MOSFET驱动的PNP晶体管建模。图3所示是理解器件在工作时的物理特性所需的结构元件(寄生元件不考虑在内)。
如图所示，IC是VCE的一个函数(静态特性)，假如阴极和阳极之间的压降不超过0.7V，即使栅信号让MOSFET沟道形成(如图所示)，集电极电流IC也无法流通。当沟道上的电压大于VGE -Vth 时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。由于IGBT结构中含有一个双极
MOSFET和一个功率MOSFET，因此，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。功率MOSFET的温度系数是正的，而双极的温度系数则是负的。本图描述了VCE(sat) 作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。当必须并联两个以上的设备时，这个问题变得十分重要，而且只能按照对应某一电流率的VCE(sat)选择一个并联设备来解决问题。有时候，用一个NPT进行简易并联的效果是很好的，但是与一个电平和速度相同的PT器件相比，使用NPT会造成压降增加。
动态特性
动态特性是指IGBT在开关期间的特性。鉴于IGBT的等效电路，要控制这个器件，必须驱动MOSFET 元件。
这就是说，IGBT的驱动系统实际上应与MOSFET的相同，而且复杂程度低于双极驱动系统。如前文所述，当通过栅极提供栅正偏压时，在MOSFET部分形成一个N沟道。如果这一电子流产生的电压处于0.7V范围内，P+ / N- 则处于正向偏压控制，少数载流子注入N 区，形成一个空穴双极流。导通时间是驱动电路的输出阴抗和施加的栅极电压的一个函数。通过改变栅电阻Rg (图4)值来控制器件的速度是可行的，通过这种方式，输出寄生电容Cge 和Cgc可实现不同的电荷速率。
换句话说，通过改变Rg值，可以改变与Rg (Cge+Cgc) 值相等的寄生净值的时间常量(如图4所示)，然后，改变dV/dti。数据表中常用的驱动电压是15V。一个电感负载的开关波形见图5，di/dt是Rg的一个函数，如图6所示，栅电阻对IGBT的导通速率的影响是很明显的。
因为Rg数值变化也会影响dv/dt斜率，因此，Rg值对功耗的影响很大。
在关断时，再次出现了我们曾在具有功率MOSFET和BJT 器件双重特性的等效模型中讨论过的特性。当发送到栅极的信号降低到密勒效应初始值时，VCE开始升高。如前文所述，根据驱动器的情况，VCE达到最大电平而且受到Cge和Cgc的密勒效应影响后，电流不会立即归零，相反会出现一个典型的尾状，其长度取决于少数载流子的寿命。
在IGBT处于正偏压期间，这些电荷被注入到N区，这是IGBT与MOSFET开关对比最不利特性之主要原因。降低这种有害现象有多种方式。例如，可以降低导通期间从P+基片注入的空穴数量的百分比，同时，通过提高掺杂质水平和缓冲层厚度，来提高重组速度。由于VCE(sat) 增高和潜在的闩锁问题，这种排除空穴的做法会降低电流的处理能力。
安全运行区SOA
按电流和电压划分，一个IGBT的安全运行区可以分为三个主要区域，如下表所示：
这三个区域在图8中很容易识别。
通常每一张数据表都提供了正向导通(正向偏置安全运行区FBSOA)、反向(反向偏置安全运
行区RBSOA)和短路(短路安全运行SCSOA)时描述强度的曲线。
详细内容：
FBSOA
这部分安全运行区是指电子和空穴电流在导通瞬态时流过的区域。在IC处于饱和状态时，IGBT所能承受的最大电压是器件的物理极限，如图8所示。
RBSOA
这个区域表示栅偏压为零或负值但因空穴电流没有消失而IC依然存在时的关断瞬态。如前文所述，如果电流增加过多，寄生晶体管会引发闩锁现象。当闩锁发生时，栅极将无法控制这个器件。最新版的IGBT没有这种类型的特性，因为设计人员改进了IGBT的结构及工艺，寄生SCR的触发电流较正常工作承受的触发电流(典型Ilatch>5 IC 正常)高出很多。关于闭锁电流分别作为结温和栅电阻的一个函数的变化情况，见图9和10。
SCSOA
SCSOA是在电源电压条件下接通器件后所测得的驱动电路控制被测试器件的时间最大值。图11所示是三个具有等效特性但采用不同技术制造的器件的波形及关断时间。
最大工作频率
开关频率是用户选择适合的IGBT时需考虑的一个重要的参数，所有的硅片制造商都为不同的开关频率专门制造了不同的产品。
特别是在电流流通并主要与VCE(sat)相关时，把导通损耗定义成功率损耗是可行的。
这三者之间的表达式：Pcond = VCE IC ，其中，是负载系数。
开关损耗与IGBT的换向有关系；但是，主要与工作时的总能量消耗Ets相关，并与终端设备的频率的关系更加紧密。
Psw = Ets
总损耗是两部分损耗之和：
Ptot = Pcond + Psw
在这一点上，总功耗显然与Ets 和VCE(sat)两个主要参数有内在的联系。
这些变量之间适度的平衡关系，与IGBT技术密切相关，并为客户最大限度降低终端设备的综合散热提供了选择的机会。
因此，为最大限度地降低功耗，根据终端设备的频率，以及与特殊应用有内在联系的电平特
性，用户应选择不同的器件。
功率模块IGBT、IPM、PIM 的性能及使用时有关问题的综述
1 IGBT主要用途
IGBT是先进的第三代功率模块，工作频率1-20KHZ，主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路，即DC/AC变换中。例电动汽车、伺服控制器、UPS、开关电源、斩波电源、无轨电车等。问世迄今有十年多历史，几乎已替代一切其它功率器件，例SCR、GTO、GTR、MOSFET，双极型达林顿管等,目今功率可高达1MW的低频应用中，单个元件电压可达4.0KV（PT结构）— 6.5KV（NPT结构），电流可达1.5KA，是较为理想的功率模块。
追其原因是第三代IGBT模块，它是电压型控制，输入阻抗大，驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，通断速度快，工作频率高，元件容量大等优点。实质是个复合功率器件，它集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体化。又因先进的加工技术使它通态饱和电压低，开关频率高（可达20KHZ），这两点非常显著的特性，最近西门子公司又推出低饱和压降（2.2V）的NPT—IGBT性能更佳，相继东芝、富士、IR、摩托罗拉亦已在开发研制新品种。
IGBT发展趋向是高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠、低成本为目标的，特别是发展高压变频器的应用，简化其主电路，减少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，简化调试工作等，都与IGBT有密切的内在联系，所以世界各大器件公司都在奋力研究、开发，予估近2-3年内，会有突破性的进展。目今已有适用于高压变频器的有电压型HV-IGBT，IGCT，电流型SGCT等。
2 关断浪涌电压
在关断瞬时流过IGBT的电流，被切断时而产生的瞬时电压。它是因带电动机感性负载(L)及电路中漏电感(Lp)，其总值L*p = L + Lp则Vp* = Vce + Vp而Vp = L*p di/dt在极端情况下将产生Vp* Vces（额定电压）导致器件的损坏发生，为此要采取尽可能减小电感(L)，电路中的漏电感(Lp)—由器件制造结构而定，例合理分布，缩短到线长度，适当加宽减厚等。
3 恢复浪涌电压
续流二极管是为当IGBT下臂关断，电感性电流就可在上臂续流管提供通路，（这时处正向导通），它将减小di/dt值，防止产生过电压。但又当下臂导通时，续流二极管反向恢复，变为负值而关断，电流将要下降为零值，因Lp存在要产生浪涌电压，阻止电流的下降，尤其当使用硬恢复二极管时，将产生较高的反向恢复di/dt值，可导致很高的瞬时电压出现。
4 缓冲电路形式
用以控制关断浪涌电压和恢复浪涌电压，以减少模块的开关损耗及瞬时过电压值而采用的。虽然IGBT 具有强大的开关安全工作区，但需控制瞬时电压值，而缓冲电路在每次开关循环中都可通过IGBT放电，故有一定功耗产生，但能确保使用的安全。
图1-A仅有一个低电感量的电容器组成，对小功率一单元模块，可接在C和E之间，对六合一封装模块可接P 和N 之间，对减小瞬变电压有效、简单、成本低、适用小功率器件。
图1-B使用快速二极管，它可箝住瞬变电压，从而抑制与母线寄生电感，作减幅振荡。RC为时间常数，设为开关周期1/3（即τ= T/3 = 1/3fz），适用中功率器件。
图1-C类似B图，但具有更小的回路电感，它直接于每个IGBT的C极和E极，并使用一个小型RCD （阻容二极管）效果较好，能抑制缓冲电路的寄生振荡，适用大功率器件具体推荐值见表1。
5 减小功率电路的电感
浪涌电压的能量与1/2LpI 成正比，因此减小Lp是主要的，可选用多层正负交*，宽偏形迭层母线，包括IGBT间联接，与大电容器的联接等，例大功率变频器的母排等，都采用上述方法，例罗克韦尔A-B公司等变频器就是这样的方法来减小功率电路的电感。
6 接地回路形式
当栅极G驱动或控制信号与主电流共用一个电流路径时，会导致接地回路，这可能出现本应地电位，而实际有几伏的电位值，使本来偏置截止的器件，就可能发生导通，而造成误动作。因此在大功率IGBT应用中，或di/dt很高时，就难发生上述现象的发生，故对不用容量的器件，有下述三种电路见图2。
图2-A存在共地回路电位问题的，它的栅极电路地线与主电路(一)母线相通，适用于＜100A六合一封装器件，但仍要高反偏置电压5-15V。
图2-B对下半臂器件选用独立栅极电源供电，采用辅助发射极和就近驱动电源介耦电容的方法，能使接地回路噪声得到最好抑制，适用200A以下模块。
图2-C对下半臂每一个栅极驱动电路，都采用了分离绝缘电源，以消除接地回路的噪音问题，效果更好，适用≥300A的模块。
7 IGBT的损耗
是指IGBT在开通或关断过渡过程期间的功率损耗。当PWM信号频率＞5KHZ时开关损耗会非常显著，
因此在变频器使用时，必须正确的选择载波频率值的大小，是件重要的问题。具体如何选值，请参见2001年七期“变频器世界”期刊。此文由张选正撰写的，题目“变频器载波频率值正确选择的依据”一文。
总之载波频率的大小与器件的开关损耗，器件的发热，电流的波形，干扰的大小，电动机噪音和振动等有关的，因此不等功率的电动机和现场条件来正确选择载波频率值大小，亦是属变频器调试中一个主要环节。
8 关于结温的大小
IGBT模块的芯片最大额定结温是150℃，在任何工作条件下，都不允许超过，否则要发生热击穿而造成损坏，一般要留余地，在最恶劣条件下，结温限定在125℃以下，但芯片内结温监测有难度，所以变频器的IGBT模块，都在散热器表面装有温控开关，其值在80-85℃之间，当达到此温度时，即因过热保护动作，从而自动停机，以确保IGBT的安全。亦有用热敏电阻。
9 散热器的安装
IGBT模块直接固定在散热器上，螺钉一定要受力均匀，先要予紧次序是图3
①→②→③→④，最终拧紧次序是④→③→②→①可见图3。散热器表面要平整清洁，要求平面度≤150μm，最好用力矩把手（具体值可参见应用手册），表面光洁度≤6μm，在界面要涂传热导电膏，涂层要均匀，厚度约150μm。关于不同功率的模块散热器面积的计算，请参阅有关的设计资料。
10 参数的合理选择
参数的选择一条原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全地运行。工作电压≤50%-60%，结温≤70-80%在这条件下器件是最安全的。制约因素A、在关断或过载条件下，IC要处于安全工作区，即小于2倍的额定电流值；B、IGBT峰值电流是根据200%的过载和120%的电流脉动率下来制定的；C、结温一定<150℃以下，指在任何情况下，包括过载时。具体选用时可查表2。
A、开通电压15V±10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关损耗最小，当<12V时通态损耗加大，>20V时难以实现过流及短路保护。
B、关断偏压-5到-15V目的是出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值约为-10V。
C、IGBT不适用线性工作，只有极快开关工作时栅极才可加较低3—11V电压。
D、饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小，希望越小越好，但价格就要大。饱和压降从1.7V—4.05V 以每0.25—0.3V为一个等级，从C→M十个级。
11 栅极电阻Rg
它是串接在栅极电路中可见图4。目的是改善控制脉冲前沿，后沿的陡度和防止振荡，减小IGBT集电极电压的尖脉冲值。又因IGBT的开通或关断是通过栅极电路的充放电来实现的，所以Rg的值对动态特性产生极大的影响，具体如下述：
A、Rg值小——充放电较快，能减小开关时间和开关损耗，增强工作的耐固性，避免带来因dv/dt的误导通。不足的是承受噪声能力小，易产生寄生振荡，使开通时di/dt变大，增加逐流二极管（FWD）恢复时的浪涌电压，具体值可参见表4。
B、Rg值大——性能与上述相反。
栅极驱动的布线对防止潜在振荡，减慢栅极电压上升，减小噪音损耗，降低栅极电压或减小栅极保护电
路的效率有较大的影响。要注意事项如下：
A、将驱动器的输出级和IGBT之间的寄生电感减至最低。
B、驱动板和屏蔽栅极驱动电路要正确放置，以防功率电路和控制电路之间的电感耦合。
C、采用辅助发射极端子连接栅极驱动电路。
D、当驱动PCB板和IGBT控制端子不可能作直接连接时，建议用双股绞线(2转/CM小于3CM长)或带状线，同轴线。
E、栅极箝位保护电路，必须按低电感布线，并尽量放置于IGBT模块的栅极，发射极控制端子附近。
F、由于IGBT的开关会使用相互电位改变，PCB板的线条之间彼此不宜太近，过高的dv/dt会由寄生电容产生耦合噪声。若布线无法避免交*或平衡时，必须采用屏蔽层，加以保护。
G、要减少各器件之间的寄生电容，避免产生耦合噪声。
H、用光耦器来作隔离栅极驱动信号，其最小共模抑制比要在10.000V/μS，栅极回路除上述外而防止栅极电路出现高压尖峰，一般在G、E极间并一个电阻Rge，再并二只反串的稳压二极管，以使工作更可靠、安全、有效。Rge值在1000-5000欧之间，见图4。
12 dv/dt及短路保护
在IGBT关断时，栅极要加反向偏置，由于栅极的阻抗很大，该电流令Vge增加，恶劣条件下可达阈值电压时，则IGBT将开通，导致上下臂同时开通使桥臂每一相短路，为防止这现象的发生要注意以下几点：
A、在断态时要加足够的负栅极电压值至少-5V。
B、在关断时Rg为较低值（可见表4）。
C、栅极电路的电感Lg应降至最低。
当短路情况出现时，IGBT要继续维持在短路安全工作区内，其方法有：
A、电流传感器
B、欠饱和式但必须能测出短路到关断IGBT时间在10μs之内，常用有三种方法：
a、控制关断—减少栅极电压（有分段或斜坡减少）增加沟道内阻。
b、Vge箝位—Vge在18V以下，对小功率器件，可在G极与E极之间用齐纳二极管箝位。
c、减少tw—缩短短路持续时间，但将使关断电流增大。
13 使用注意事项
A、栅极与任何导电区要绝缘，以免产生静电而击穿，所以包装时将G极和E 极之间要有导电泡沫塑料，将它短接。装配时切不可用手指直接接触，直到G极管脚进行永久性连接。
B、主电路用螺丝拧紧，控制极G要用插件，尽可能不用焊接方式。
C、装卸时应采用接地工作台，接地地面，接地腕带等防静电措施。
D、仪器测量时，将100Ω电阻与G极串联。
E、要在无电源时进行安装。
F、焊接G极时，电烙铁要停电并接地，选用定温电烙铁最合适。当手工焊接时，温度260℃±5℃，时间（10±1）秒，松香焊剂。波峰焊接时，PCB板要预热80℃—105℃，在245℃时浸入焊接3-4秒，松香焊剂。
14 IGBT的串并联
A、并联目的是增大使用的工作电流，但器件要匹配，每块Vce之差< 0.3V，还要降流使用，对600V
的降10%Ic，1200-1400V的降15%Ic，1700V的降20%Ic，这组值指≥200A的模块，并要取饱和压降相等或接近的模块才行。栅控电路要分开，除静态均流外，还有动态均流问题，并使温度相接近，以免影响电流的均衡分配，因IGBT是负阻特性的器件。
B、串联的目的是增高使用的工作电压，其要求比并联更高，主要是静态均压及动态均压问题，尤其是动态均压有一定难度。成都佳灵公司提出的容性母板技术（1+N）只串联动态电压箝位均压方式已处于工业实验阶段。若动态均压不佳，要造成串联臂各器件上的Vce电压不等，造成一个过压影响同一臂一串电击穿。
C、总之IGBT的串并联应尽量避免，不要以低压小电流器件，通过串并联企图解决高电压大电流，这样做法往往失得其反，而器件增多可靠性更差，电路亦复杂化等，在不得而已的条件下，要慎重。目今单个IGBT的电压或电流基本能满足用户的需要，随着时代发展电路的改进，将会有更高电压，更大电流的功率器问世，这是必然的。
15 智能IPM模块
智能IPM模块问世已有十年之久，目今有110KW的模块，可供变频器选用。它是先进的混合集成功率器件，将IGBT、驱动电路、保护电路集成化，因此具有高速、高效、低耗、和优化门极驱动及保护电路，欠压锁定，用电流传感功能芯片，对过流和短路保护，更为优越的，整体的可靠性大为提高。IPM有四种电路形式：单管封装(H)，双管封装(D)，六合一封装(C)，七合一封装(R)。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机尺寸亦可减小，又有自保护能力，减低了在开发和使用中过载情况下损坏的机率，国内外55KW以下的变频器多数采用IPM模块，亦是理所当然的。结温还是125℃，栅控13.5-16.5V之间，就可安全地工作。IPM有：短路保护(SC)，过流保护(OC)，欠压保护(UV)，过热保护(OT)，过压保护(OV)等较完全的。有表3可供选用参考。
16 变频专用功率集成模块PIM
最近5年内问世的，专供变频器主电路使用的综合集成功率器件。例德国慕尼黑TYCO公司生产的2.5-66A 1200V系列，4-75A 600V系列，它包含了单相/三相输入整流桥+制动单元（或PFC功率因数单元）+六单元IGBT+NTC温度监测。但不包括驱动电路。有的专业厂例富士等将整流、制动、IGBT、保护、驱动、控制全部一体化集成模块，那样使用更方便、安全、可靠。其特点是：
A、集成全部器件及电路；
B、体积小，功率大，损耗低，较稳定；
C、优化内部布线，减少寄生噪音；D有完全的自保护电路，具有快速、灵敏；E、唯一不足的是当其中有一个器件坏时，将造成整体的报损，它不同于分离方式模块，只局限于损坏的更换就可。
17 对IGBT的Vge与Vce的加压次序
众所周知变频器内部的测量电路、保护电路、驱动电路、转换电路、隔离电路、CPU、栅极电路等，所用的电子器件，例TTL、COMS、运放、光耦等都由开关电源提供所需的不同电压值，对IGBT来讲Vge 是由开关电源提供±5-15V电压，但Vce是由主电路经三相整流桥滤波后的DC电源（P N ）提供的，为确保IGBT的使用安全及误导通，故对Vge与Vce加电压次序有要求。必须是先加Vge且待稳定后（截止偏压-15V，导通偏压+15V），再可加Vce。切莫当G极悬空或未稳定时就加Vce（几百一千伏），因为Cgc 极间的耦合电容就可将IGBT误导通，以致过高的dv/dt造成电击穿而损坏。为避免上述现象的发生一般用延时电路方法，使Vce延时Vge约0.2秒，这样大大的提高了使用上安全性、可靠性，尤其是中、大功率的器件更应注意的。
18 结论
IGBT的使用综合性能是非常优越的，决非其它功率器件所能替代的，因此成为当今逆变电路DC/AC中主要器件，亦是理应所在的。它的弱点是过压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较低，因此在使用时必须正确选择器件的容量，要有完全严格的保护电路，按产品技术性能规定来正确选定各种参数值和保护值，是件非常重要的事，切莫粗枝大叶，否则后患无穷，造成经济损失。只要精心设计，规范运行，是能确保使用中安全性和可靠性，这亦是无疑的。
IGBT绝缘栅双极晶体管
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的英文缩写 绝缘门双极性晶体管 绝缘栅双极晶体管缩写IGBT MOSFET是场效应管，因为只有一个极性的粒子导电，又称为单极性晶体管。 是功率管，有放大作用，IGBT的本质就是一个场效应管，不过是在场效应管的基础上 加上了P+层。是结合了场效应管＆双极性晶体管的特点。 IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。IGBT基本结构见图1中的纵剖面图及等效电路。 导通 IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流(双极)。 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电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。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，集电极电流引起以下问题：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温度、IC 和VCE密切相关的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，尾流特性与VCE、IC和TC之间的关系如图2所示。 反向阻断
绝缘栅双极晶体管
绝缘栅双极晶体管 晶体管的发展 1947年的圣诞前某一天，贝尔实验室中，布拉顿平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随即准确地压进锗晶体表面的选定部位。电流表的指示清晰地显示出，他们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫起来。布拉顿在笔记本上这样写道：“电压增益100，功率增益40…… 实验演示日期1947年12月23日下午。”作为见证者，肖克莱在这本笔记上郑重地签了名。 1948年，肖克莱发明了“结型晶体管”。1948年7月1日，美国《纽约时报》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消息。“一石激起千层浪”，它就像颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引爆”出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛！ 1950年：威廉·邵克雷开发出双极晶体管（Bipolar Junction Transistor），这是现在通行的标准的晶体管。 1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。 1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。 1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶体管计算机 TRADIC 1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯（Robert N oyce）。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管，即集成电路。 1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登·摩尔（Gordon Moore）预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍（10年后修正为每两年），摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。 1968年7月：罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童（Fairchild）半导体公司辞职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设备（integrated electronics）”的缩写。 1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。 1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1 /16英寸，包含仅2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。 1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了IBM新产品IBM PC的中枢大脑。16位8088处理器含有2.9万个晶体管，运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推动英特尔进入了财富（Forture） 500强企业排名，《财富（Forture）》杂志将英特尔公司评为“七十大商业奇迹之一（Business Triumphs of the Seventies）”。
绝缘栅双极晶体管IGBT工作原理
绝缘栅双极晶体管IGBT工作原理 点击次数：1534 发布时间：2009-5-9 11:18:10 IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE（sat）的能力，以及IGBT 的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。 一、导通 IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分）。其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流（MOSFET 电流）；空穴电流（双极）。 二、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电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。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，集电极电流引起以下问题：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温度、IC 和VCE密切相关的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，尾流特性与VCE、 IC和 TC之间的关系如图2所示。 三、反向阻断 当集电极被施加一个反向电压时， J1 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。
绝缘栅双极型晶体管
绝缘栅双极型晶体管 一、 IGBT介绍 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 二、 IGBT的结构 左边所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。 IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。 三、对于IGBT的测试 IGBT模块的测试分为两大类:一类是静态参数测试，即在IGBT模块结温为25C时进行测试，此时IGBT工作在非开关状态；另一类是动态参数测试，即在IGBT模块结温为1
绝缘栅双极晶体管(IGBT)的基本特性与驱动
绝缘栅双极晶体管（IGBT）的基本特性与 驱动 张冬冬 （华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206）The Basic Characteristics and the Drive of Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Zhang Dong-dong (School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China) ABSTRACT: IGBT is short for Insulate Gate Bipolar Transistor. It greatly expands the semiconductor device applications field in power industry, as it has multiple advantages of MOSFET and GTR. For example, it improves the performance of the air conditioner remarkably when used in convert circuits in frequency conversion air conditioner.GTR saturated pressure drop, the carrier density, but the drive current is larger; MOSFET drive power is small, fast switching speed, but the conduction voltage drop large carrier density. IGBT combines the advantages of these two devices, drive power is small and saturated pressure drop. V ery suitable for DC voltage of 600V and above converter systems such as AC motor, inverter, switching power supply, electric lighting. KEY WORDS：IGBT, converter, switching power supply 摘要：IGBT的全称是Insulate Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极晶体管。它兼具MOSFET 和GTR的多项优点，极大的扩展了半导体器件的功率应用领域。例如将之应用于变频空调逆变电路当中，显著地改善了空调的性能。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。关键词：绝缘栅双极晶体管，逆变器，变频器，开关电源 1 IGBT器件的发展和研究现状 1.1 电力器件的发展历史 IGBT的全称是Insulate Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极晶体管，它是适应了功率半导体器件(也叫电力电子器件)的发展而产生的。 自1982年IGBT由GE公司和RCA公司首先宣布以来，引起了世界许多半导体厂家和研究者的再砚，围际上再大半导体公司都投入巨资发展IGBT，GE公司称之为IGT(Insulated Gate Transistor)；RCA公司称之为COMFET(Conductivity Modulated FET)；Motorola公司称之为GEMFET(Gain Enhancement FET)：IXY公司称之为MOS-IGT；东芝公司称之为IGBT、IGR(Insulated Gate Rectifier)、BIFET(Bipolar FET)，目前已统一称为IGBT。 经过二、三十年的发展，IGBT大略经历了以下几个阶段： 在IGBT发明之仞，首先大规模制造的主要是穿通型IGBT(PT-IGBT)，其饱和压降较高，开关叫间较长：其后是寻求IGBT图形设计的最佳化；接下来是抑制寄生器件的工作：然后是通过引入微细化工艺来改善IGBT的综合特性：90年代中至今，人们热
绝缘栅双极晶体管结构与工作原理解析
绝缘栅双极晶体管结构与工作原理解析 绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar TransistorIGBT）综合了电力晶体管（Giant TransistorGTR）和电力场效应晶体管（Power MOSFET）的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT 的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的 区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照相机的频闪观测器、感应加热（InducTIonHeaTIng）电饭锅等领域。根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO－3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD （FleeWheelDiode）成对地（2或6组）封装起来的模块型，主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。 ? ? IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on） 数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时， 功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低
绝缘栅双极晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究
课程名称：电力电子器件指导老师：陈辉明成绩： 实验名称：实验类型：同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 实验二绝缘栅双极晶体管（IGBT)特性与驱动电路研究 一、实验目的和要求 1、熟悉IGBT 主要参数与开关特性的处理方法。 2、掌握混合集成驱动电路M57859L 的工作原理与调试方法。 3、研究IGBT 主要参数与开关特性。 二、实验内容和原理 实验原理： 见《电力电子器件实验指导书》（汤建新编著）34 页至38 页“IGBT 特性与驱动电路研究”中“二.实验线路及原理”。 混合集成驱动电路M57859L： M57859L 是高度集成的专为IGBT 设计的栅极驱动电路，芯片提供了驱动所需要的要求，包括短路 过流保护，过流定时恢复，栅极封锁保护，输入隔离等功能。
芯片的原理图如下： 三、主要仪器设备 1、DSX 01 电源控制屏 2、DDS 16“电力电子自关断器件特性与驱动电路”实验挂箱 3、DT 10“直流电压电流表实验挂箱” 4、数字示波器等 四、操作方法和实验步骤 1、IGBT 主要参数测试 2、M57959L 主要性能测试 3、IGBT 开关特性测试 4、过流保护性能测试 五、实验数据与分析 1、IGBT 主要参数测试 1.1 开启阀电压V gs(th)测试
调节栅极电压，测量集电极电流，记录输入，并特别观察电流为1m A 时的栅压，此时为开启电压。 记录数据如下： 当电流为一毫安时开通电压为6.18V 1.2 跨导g m 测量 根据1.1 测得是数据，计算得gm，绘制成曲线如下：
探究绝缘栅双极晶体管的原理及应用
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/136255114.html, 探究绝缘栅双极晶体管的原理及应用 作者：秦慧娴 来源：《大经贸》2018年第07期 【摘要】絕缘栅双极晶体管（IGBT）是近十多年来为适应电力电子技术发展而出现的新型器件。是整机系统提高性能指标和节能指标的首选产品。它集高频率、高电压、大电流等优点于一身，是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品。本文着重介绍它的结构、工作机理、静态特性、动态特性以及主要参数，为使用该类器件奠定基础IGBT是上世纪80年代初研制成功，并在其性能上，经过几年的不断提高和改进，以成熟的应用于高频大功率领域。因此本文还介绍了IGBT国内外发展简况，将详细地说明了IGBT的重要特性及其应用基础技术，列出了在家用电器、电焊机、电动机等方面应用的一些基本电路。 【关键词】绝缘栅双极晶体管等效电路静态特性动态特性 一、 IGBT的结构和原理 绝缘栅双极晶体管是一种新型的电力半导体器件，它既具有功率场效应晶体、管高速、高输入阻抗的特性，又具有双极达林顿晶体管饱和电压低、电流大、反压高的特性[2]。这种器件在1982年由美国RCA与G E公司试制成功，后经美国IR 公司、欧洲 S G S公司和菲利浦公司、日本东芝、富士电机、日立公司等的改进，于80年代末实现了商品化，自此其应用技术日趋成熟，在电力电子技术中扮演了重要角色。 1.1 IGBT的结构和工作机理 它是在功率MOSFET的基础上发展起来的，他与功率MOSFET不同之处在与多了一个p+发射区，由该区引出IGBT的漏极（或称集电极），这样IGBT就比MOSFET多了一个PN 结。IGBT的栅极和源极的引出处与功率MOSFET相同。从IGBT的结构可相应得出它的等效电路，由于非对称型IGBT加入的N+区紧靠N-区都是N区，只是参杂浓度不同，所以两种不同类型的IGBT其等效电路是相同的。它们都由三个结，半导体类型的层次也相同。 IGBT既然是以MOSFET为驱动元件和双极晶体管为主导元件的复合器件，它的开通、关断就必然与MOSFET相同，是由栅极电压来控制的。栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道并为双极晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通，此时从发射区注入到N-区的空穴对N-区进行电导调制，减少N-漂移区的电阻RMOD。使高耐压的IGBT也具有低导通电压特性。IGBT栅极上施加负电压时，MOSFET的沟道消失，PNP晶体管被切断，IGBT即处于关断状态。由此可见，IGBT的驱动原理与MOSFET管基本相同。由于等效双极晶体管是IGBT的主导元件，因此IGBT具有大电流传输能力。 二、 IGBT的特性
实验一 绝缘栅双极型晶体管
电气工程及其自动化实验室实验指导书系列 实验一绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究一．实验目的： 1.熟悉IGBT开关特性的测试方法； 2.掌握混合集成驱动电路EXB840的工作原理与调试方法。 二．实验内容 1.EXB840性能测试； 2.IGBT开关特性测试； 3.过流保护性能测试。 三．实验方法 1．EXB840性能测试 （1）输入输出延时时间测试 IGBT部分的“1”与PWM波形发生部分的“1”相连，IGBT部分的“13”与PWM波形发生部分的“2”相连，再将IGBT部分的“10”与“13”相连，与门输入“2”与“1”相连，用示波器观察输入“1”与“13”及EXB840输出“12”与“13”之间波形，记录开通与关断延时时间。 t，t= = offon（2）保护输出部分光耦延时时间测试 将IGBT部分“10”与“13”的连线断开，并将“6”与“7”相连。用示波器观察“8”与“13”及“4”与“13”之间波形，记录延时时间。 （3）过流慢速关断时间测试 接线同上，用示波器观察“1”与“13”及“12”与“13”之间波形，记录慢速关断时间。（4）关断时的负栅压测试 断开“10”与“13”的相连，其余接线同上，用示波器观察“12”与“17”之间波形，记录关断时的负栅压值。 （5）过流阀值电压测试 断开“10”与“13”的连接，断开“2”与“1”的连接，分别连接“2”与“3”，“4”与“5”，“6”与“7”，分别将主回路的“3”与“4”和“10”与“17”相连，即按照以下表格的说明连线。 1 电气工程及其自动化实验室实验指导书系列
将主电路的RP左旋到底，用示波器观察“12”与“17”之间波形，将RP逐渐向右旋转，边旋转边监视波形，一旦该波形消失时即停止旋转，测出主回路“3”与“4”之间电压值，该值即为过流保护阀值电压值。 2．开关特性测试 （1）电阻负载时开关特性测试 将“1”与“13”分别与波形发生器“1”与“2”相连，“4”与“5”，“6”与“7”，‘2“与”3“，“12”与“14”，“10”与“18”，“17”与“16”相连，主回路的“1”与“4”分别和IGBT 部分的“18”与“15”相连。即按照以下表格的说明连线。 用示波器分别观察“14”与“15”及“16”与“15”的波形，记录开通延迟时间。 （2）电阻，电感负载时开关特性测试 将主回路“1”与“18”的连线断开，再将主回路“2”与“18”相连，用示波器分别观察“14”与“15”及“16”与“15”的波形，记录开通延迟时间。 （3）不同栅极电阻时开关特性测试 将“12”与“14”的连线断开，再将“11”与“14”相连，栅极电阻从R＝3kΩ5改为R=27Ω，其余接线与测试方法同上。43．并联缓冲电路作用测试 （1）将IGBT部分的“18”与“19”相连，IGBT部分的“17”与“20”相连。 （2）电阻负载，有与没有缓冲电路时观察“14”与“17”及“18”与“17”之间波形。 （3）电阻，电感负载，有与没有缓冲电路时，观察波形同上。 4．过流保护性能测试，栅计电阻用R4 在上述接线基础上，将“4”与“5”，“6”与“7”相连，观察“14”与“17”之间 2 电气工程及其自动化实验室实验指导书系列 波形，然后将“10”与“18”之间连线断开，并观察驱动波形是否消失，过流指示灯是否发亮，待故障消除后，揿复位按钮即可继续进行试验。