深圳市可易亚半导体科技有限公司

国家高新企业

cn en

新闻中心

IGBT工作原理,解析IGBT工作原理及作用

信息来源:本站 日期:2017-07-10 

分享到:

一、IGBT是什么

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,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。


通俗来讲:IGBT是一种大功率的电力电子器件,是一个非通即断的开关,IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。三大特点就是高压、大电流、高速。


二、IGBT模块


IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写,IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。


IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOS 截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极—发射极间施加十几V的直流电压,只有在uA级的漏电流流过,基本上不消耗功率。


1、IGBT模块的选择


IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时,所产生的额定损耗亦变大。同时,开关损耗增大,使原件发热加剧,因此,选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时,由于开关损耗增大,发热加剧,选用时应该降等使用。


2、 使用中的注意事项


由于IGBT模块为MOSFET结构,IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般达到20~30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点:


在使用模块时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸;


在用导电材料连接模块驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块;


尽量在底板良好接地的情况下操作。


在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此,通常采用双绞线来传送驱动信号,以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。


此外,在栅极—发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。这时,如果集电极与发射极间存在高电压,则有可能使IGBT发热及至损坏。


在使用IGBT的场合,当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏,为防止此类故障,应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。


在安装或更换IGBT模块时,应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻,最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇,当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热,而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查,一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器,当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。


三、IGBT驱动电路

IGBT驱动电路的作用主要是将单片机脉冲输出的功率进行放大,以达到驱动IGBT功率器件的目的。在保证IGBT器件可靠、稳定、安全工作的前提,驱动电路起到至关重要的作用。


IGBT的等效电路及符合如图1所示,IGBT由栅极正负电压来控制。当加上正栅极电压时,管子导通;当加上负栅极电压时,管子关断。

IGBT

IGBT具有和双极型电力晶体管类似的伏安特性,随着控制电压UGE的增加,特性曲线上移。开关电源中的IGBT通过UGE电平的变化,使其在饱和与截止两种状态交替工作。


(1)提供适当的正反向电压,使IGBT能可靠地开通和关断。当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降,但若UGE过大,则负载短路时其IC随UGE增大而增大,对其安全不利,使用中选UGEν15V为好。负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通,一般选UGE=-5V为宜。


(2)IGBT的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。但在大电感负载下,IGBT的开频率不宜过大,因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压,及有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。


(3)IGBT开通后,驱动电路应提供足够的电压、电流幅值,使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。


(4)IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响,RG较大,有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率,但会增加IGBT的开关时间和开关损耗;RG较小,会引起电流上升率增大,使IGBT误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关,一般在几欧~几十欧,小容量的IGBT其RG值较大。


(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IG2BT的保护功能。IGBT的控制、 驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配,另外,在未采取适当的防静电措施情况下,G—E断不能开路。

IGBT


四、IGBT的结构

IGBT是一个三端器件,它拥有栅极G、集电极c和发射极E。IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号如图所示。

如图所示为N沟道VDMOSFFT与GTR组合的N沟道IGBT(N-IGBT)的内部结构断面示意图。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区,形成丁一个大面积的PN结J1。由于IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子,因而对漂移区电导率进行调制,可仗IGBT具有很强的通流能力。介于P+注入区与N-漂移区之间的N+层称为缓冲区。有无缓冲区决定了IGBT具有不同特性。有N*缓冲区的IGBT称为非对称型IGBT,也称穿通型IGBT。它具有正向压降小、犬断时间短、关断时尾部电流小等优点,但其反向阻断能力相对较弱。无N-缓冲区的IGBT称为对称型IGBT,也称非穿通型IGBT。它具有较强的正反向阻断能力,但它的其他特性却不及非对称型IGBT。

如图2-42 (b)所示的简化等效电路表明,IGBT是由GTR与MOSFET组成的达林顿结构,该结构中的部分是MOSFET驱动,另一部分是厚基区PNP型晶体管。

IGBT

五、IBGT的工作原理

简单来说,IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管,它的简化等效电路如图2-42(b)所示,图中的RN为PNP晶体管基区内的调制电阻。从该等效电路可以清楚地看出,IGBT是用晶体管和MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。冈为图中的晶体管为PNP型晶体管,MOSFET为N沟道场效应晶体管,所以这种结构的IGBT称为N沟道IIGBT,其符号为N-IGBT。类似地还有P沟道IGBT,即P- IGBT。


IGBT的电气图形符号如图2-42(c)所示。IGBT是—种场控器件,它的开通和关断由栅极和发射极间电压UGE决定,当栅射电压UCE为正且大于开启电压UCE(th)时,MOSFET内形成沟道并为PNP型晶体管提供基极电流进而使IGBT导通,此时,从P+区注入N-的空穴(少数载流子)对N-区进行电导调制,减小N-区的电阻RN,使高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅射极间不加信号或加反向电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP型晶体管的基极电流被切断,IGBT即关断。由此可知,IGBT的驱动原理与MOSFET基本相同。

①当UCE为负时:J3结处于反偏状态,器件呈反向阻断状态。

②当uCE为正时:UC< UTH,沟道不能形成,器件呈正向阻断状态;UG>UTH,绝缘门极下形成N沟道,由于载流子的相互作用,在N-区产生电导调制,使器件正向导通。


1)导通

IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似,主要差异是JGBT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(有两个极性的器件)。基片的应用在管体的P、和N+区之间创建了一个J,结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道便形成,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,则J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整N-与N+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);一个空穴电流(双极)。当UCE大于开启电压UCE(th),MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通。


2)导通压降

电导调制效应使电阻RN减小,通态压降小。所谓通态压降,是指IGBT进入导通状态的管压降UDS,这个电压随UCS上升而下降。


3)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的电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是阂为换向开始后,在N层内还存在少数的载流子(少于)。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。集电极电流将引起功耗升高、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Tc、IC:和uCE密切相关,并且与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。当栅极和发射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。


4)反向阻断

当集电极被施加一个反向电压时,J,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。另外,如果过大地增加这个区域的尺寸,就会连续地提高压降。


5)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,J,结受反向电压控制。此时,仍然是由N漂移区巾的耗尽层承受外部施加的电压。

6)闩锁

ICBT在集电极与发射极之间有—个寄生PNPN晶闸管。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。具体来说,产生这种缺陷的原因各不相同,但与器件的状态有密切关系。


联系方式:邹先生

联系电话:0755-83888366-8022

手机:18123972950

QQ:2880195519

联系地址:深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1


请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供  MOS管  技术帮助

IGBT