IGBT基本原理

四 IGBT 小结
定义： COMSFET与BJT复合的全 控型电压驱动大功率开关 器件； 结构、原理： PNPN四层结构； 用MOSFET控制BJT；
A B C D
背景： 80年代发展至今，IGBT拥有 输入阻抗大、驱动功率小、 开关损耗低以及工作频率高 等优点
电气特性： 静态特性与开关特性
五 下一步计划
绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、静电感应晶闸管等。
电流驱动型:通过从控制端注入或者抽出电流来实现对器件的导通或者关断的控制。例如三极管BJT等。 电压型驱动:通过在控制端和公共端之间的电压信号来实现对器件导通或者关断的控制。例如IGBT等。
1.IGBT定义

IGBT由BJT（双极性三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）复合而成
IGBT简介
2016.01.08
CONTENTS
01
IGBT介绍
IGBT发展背景
IGBT结构、原理、电气特性
02
03
IGBT
三菱
西门子
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。它是电力电子领域非常理想的开关器件。
三 IGBT工作原理

IGBT 的开通和关断是由栅 -射极电压UGE控制 ,当 UGE 正向且大于开启电压 UGE （ th ） 时 ,MOSFET 内部形成 沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,使得IGBT导通。 在栅极加零或负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶 中的基极电流被切断,IGBT被关断。

BJT（Bipolar Junction Transistor）:双极性晶体管（晶体三极管），“双 极性”是指工作时有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电。 场效应管（FET）：利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半 导体器件，它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称为单极型晶体管。 绝缘栅型场效应管（IGFET）：栅极-源极，栅极-漏极之间采用SiO2绝缘层 隔离，因此而得名。又因栅极为金属铝，所以又称为金属氧化物半导体场 效应管，也就是MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）
IGBT 目前, IGBT器件已从第1代发展到了第4代，它的工作频率可达到 200KH z。它的功率容量从 小功率 (80-300A/500-1200V ) 的单管发展到超大功率 (1000-1200A/2500-4500 V) 的模块, 形成 了系列化产品,产品覆盖面非常大。
二 IGBT发展历史
1.IGBT定义

I G BT ， 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( I n s o l a t e d G a t B i p o l a r Transistor,IGBT)，它是由BJT（双极性三极管）和MOSFET（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。
电力半导体器分类 不可控器件:不能用控制信号来控制其通断,因此不需要驱动电路,此类器件只有整流作用,包括普通功 率二极管、快恢复二极管和、肖特基二极管。 半控型器件:控制导通不能控制关断。它包括普通晶闸管及其派生的特殊器件,如逆导晶闸管等。 全控型器件:控制其导通、关断,又称为自关断器件。例：双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、
回顾IGBT的发展历程,其主要从三方面发展演变
器件纵向结构
非穿通型(NPT)结构 → 拥 有 缓冲层的穿通型 (PT) 结构 →
场终止型、软穿通型结构
平面栅结构 → 垂直于芯片表 面的沟槽型结构
栅极结构
硅片的加工工艺
外延生长技术→区熔硅单晶
国内外IGBT产业现状
国内IGBT产业在最近几年也得到了快速发展


三 IGBT电气特性——静态特性
开关
IGBT工作在开关状态,就是在正向阻断区和饱和区之间来 回切换。 静态开关特性可以看成开通时基本与纵轴重合,关断时与横 轴重合。体现开通时压降小,关断时漏电流很小的优点。 饱和压降VCE（sat): IBTG饱和导通时的VCE ，一般为2-4v。
当栅极电压为零或负压时,IGBT关断并承受正向电压,表现为IGBT正向阻断特性。 在电力电子电路中,IGBT经常会直接承受较高的负载电压,所以选择IGBT首先就要考虑IGBT的电压等级
三 IGBT结构

IGBT 是在 VDMOSFET 基础之上 演化发展而来的，结构十分相似 , 主要不同之处是 IGBT 用 P+ 衬底取 代了 VDMOS 的 N+ 衬底 , 形成 PNPN 四 层结构 , 正向导通时 J1 结正偏 , 发 生一系列反应，产生 PN 结电导调 制效应 ,从而有效降低了导通电阻 和导通电压，增大了 IGBT 的流通 能力。电导调制效应是 IGBT 最主 要的特征 , 也是 IGBT 区别于 VDMOS 的本质所在。
三 IGBT电气特性——静态特性

静态特性主要包括:转移特性、输出特性
ic f (uGE ) u
转移特性
CE
常数
当 uGE U GE (th) 时,IGBT处于关断状态。
当 uGE U GE (th) 时,I C 和U GE 大部分是线性的 , 只在 UGE很小时,才是非线性。开启电压UGE(th)随温度升高略有 下降 , 温度每升高 1 ° C, 其值下降 5mv 左右 , 在 25 ℃时 , 一 般为2一6V;最高栅-射电压受最大集电极电流的限制 ,一 般选取在15V左右。
三 IGBT电气特性——静态特性
输出特性/ 伏安特性

ic f (uCE ) u
GE
常数
它描述栅射电压为参考变量时,集电极电流IC与集射电压UCE之间的 关系。

URM是IGBT能够承受的最高反向阻断电压
UFM是IGBT能够承受的最高正向阻断电压, 当UCE<0时，IGBT为反向工作状态,IGBT只有很小的集电极漏电流 流过; 由于IGBT的反向阻断能力很低,一般只研究IGBT的的正向输 出特性 。 IGBT的输出特性分为正向阻断区、有源和饱和区。 其中饱和区是以单极性 MOS结构特性为主,门极电压越高,饱和电 流越大;有源区则以晶体管特性为主,电压和电流都很大 ,损耗大,通 常是一个瞬态过程,故 IGBT 在电力电子电路中,主要是工作在开关 状态,即工作在正向阻断区和饱和区。
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体管 SIT 。 开
关速度高、输 入阻抗高、控 制功率小、驱
共同存在驱
动电流大、 功耗损失
动电路简单 ，
但是导通电阻 大，不耐高压
历史产品比较
产品
SCR
特点
功率容量大, 目前的水平已达到7000V / 8000A。但缺点是开关速度低, 关断不可控、 因强制换流关断使控制电路非常复杂, 限制了它的应用。 它们都是自关断器件,开关速度比 SCR 高, 控制电路也得到了简化。 目前的 GTO 和 GTR 的水 平分别达到了 6000V /6000A、1000V / 400A。 但是, GTO 的开关速度还是较低,GTR 存在二次 击穿和不易并联问题。 另外, 它们共同存在驱动电流大、功耗损失大的问题。
三 IGBT电气特性——动态特性

对IGBT的关断时间，最大的一个限制因素是N型外延层中少数载流子 的寿命，即PNP管基区中少子寿命。因为PNP基区没有直接的引出电极， 可以通过电子辐照等少子寿命控制技术加以控制，并通过在 P+N-之间加 N+缓冲层等工艺方法减小tf2。 降低少子寿命虽然提高了器件的关断速度，却使IGBT N-基区的调制 作用减弱，调制电阻增加，导致正向压降上升。所以 IGBT 的通态压降 与关断时间之间存在一个折衷的关系。 IGBT以Vce(sat)和toff为标志形成了几代 产品。
主要是指IGBT开通以及关断过程中的特性,即所谓的开关特性。
类似于VDMOS开通过程
三 IGBT电气特性——动态特性

开通过程与MOS管非常相似。
首先是内部MOS结构部分的开通,当对栅射极施加正向电压 之后,输入电容开始充电 ,经过一段时间之后 ,栅极电压达到阈 值电压,此时开始有电流在作为输入器件的 MOS结构中流动,并 构成了PNP晶体管的基极电流。 随后,PNP双极晶体管的集电极电流在一个由载流子穿越基 区的渡越时间所决定的延迟之后开始流动 ,器件开始导通。由 此可以得到,IGBT从最初的施加栅极正电压到 IGBT集电极电流 上升所经历的开通时间为两次延迟之和:ton=td(on)+tr


1.IGBT 简化等效电路
由图可知IGBT是以双极型晶体管为主导元件,以MOSFET为驱动元件的达 林顿结构①。 的达林顿管。
① 达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管，应用于大功率开关电路。
忽略虚线部分，相当于由N沟道MOSFET驱动的PNP晶体管
二 IGBT发展历史背景

历史产品回顾 第一代
GTO、 GTR
VDMOS、具开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单等特点。 但导通电阻限制了它们 SIT 的电流容量和功率容量。不过, 人们利用超大规模 IC 技术把 VDMOS 的元胞尺寸做得很小 ( 只有几个平方微米) , 大大增加了元胞的数量、减小了导通电阻、提高了电流容量。但是, 功 率容量还是很低。100V 以下,VDMOS 是最理想的开关器件。
50年 代
可控硅SCR 但开关速度 低，关断不 可控，因强 制换流关断 使控制电路 非常复杂
第二代
70年 代
门极可关断 和巨型双极
第三代
70年 代末
功率场效应晶 体管 VDMOS 和静电感应晶
第四代
80年 代 IGBT
第N代
future
？
功率容量大， 晶 闸 管 G TO
晶体管GTR 。
自关断器件, 控制电路简 化。但它们
国内
国外
纵观全球市场 ， IGBT主要供应 厂商基本是欧美及日本几家公 司,它们代表着目前IGBT技术的 最高水平,包括德国英飞凌、瑞 士ABB、美国IR、飞兆以及日本 三菱、东芝、富士等公司。在 高电压等级领域(3300V以上)更 是完全由其中几家公司所控制, 在大功率沟槽技术方面,英飞凌 与三菱公司处于国际领先水平。 这些公司不仅牢牢控制着市场, 还在技术上拥有着大量的专利。
也就是IGBT正向阻断电压的能力。
目前市场上IGBT的电压等级主要分为600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V等,不同 的电压等级表示IGBT可以阻断多少正向电压,超过相应的电压等级器件的漏电流会开始大量增加,短时间 内器件也许不会损坏,但长时间会导致器件击穿甚至烧毁。
三 IGBT电气特性——动态特性
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三 IGBT电气特性——动态特性


IGBT关断过程的电流随时间变化大体分为两个阶段:
toff=tf1+tf2 第一个阶段MOS管导通电流的迅速降低阶段，即陡降 阶段Ⅰ，下降时间为tf1，取决于IGBT内的PNP晶体管 的电流放大系数。

第二个阶段是三极管电流缓慢减小到零的阶段，即 与基区过剩载流子复合有关的缓慢下降阶段（指数 下降阶段Ⅱ），下降时间为tf2，下降时间主要取决 于N基区空穴流的复合速度,即N基区中少数空穴的寿 命。

三 IGBT电气特性——动态特性

从外部结构上看IGBT器件总电流既含有来自沟道的MOS分量， 又含有以PN结注入的双极分量，即 IC=IMOS+IBJT，

从内部结构上说IGBT的通态电流Ic主要由电子电流Ie和空穴电流Ih 组成
IC=Ih+Ie
其中空穴电流Ih来自于P+集电区的注入,流经MOS沟道的电子电流Ie受 控于栅极电压,要想使Ie中断,必须将栅极通过外电路与发射极连接,使 栅电容放电。当VGE值低于阈值电压时,MOS沟道反型层就会自行消失。 在沟道关闭之后,电子电流Ie减小为零,但随着J2结被反偏,存储于pnp 晶体管基区中的过剩载流子被不断扩展的空间电荷区扫出 ,由于这个 PNP晶体管基区没有直接连接电极,无法同正常的BJT一样通过反向基极 电流抽取存储的过量电荷,这些过剩载流子只能通过集电极逐渐抽走 , 形成了IGBT的拖尾电流。