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

时进行测试，此时IGBT工作在开关状态。

3.1、静态参数的测试

1. 栅极一发射极阀值电压的测试在规定条件下，测量栅极—发射极阀值电压Vge(th)，测试电路原理图如图1所示

电路说明和要求: Gl、G2:可调直流电压源; Vl、V2:直流电压表; A:直流电流表; DUT:被测量的IGBT(下同)。测量程序:调解电压源G2至规定的集电极—发射极电压(15V);调节电压源Gl，从零开始逐渐增加栅极一发射极间的电压。当电流表A显示出规定的集电极电流值时，电压表Vl的显示值即为被测器件的栅极一发射极阀值电压。

2. 集电极—发射极截止电流的测试在规定条件下，测量器件的栅极—发射极短路时集电极—发射极截止电流Ices，原理电路如图2所示

电路要求和说明: G:可调直流电压源; V:高阻抗直流电压表; A:直流电流表; R:限流电阻器。测量程序:调节电压源G，从零开始逐渐增加集电极—发射极间的电压到电压表V显示出规定的值(10V)，从电流表A读出集电极—发射极截止电流Ices。

3. 栅极—发射极漏电流的测试在规定条件下，测量器件在集电极—发射极短路条件下栅极—发射极漏电流Iges，原理图如图3所示。

图3

电路说明和要求: G:可调直流电压表; Vl，V2:直流电压表; R:测量电阻器。这时栅极一发射极漏电流为: Ices=V/R。测量程序:调节电压源G，使栅极一发射极电压Vl到规定值(20V)。从V2电压表读出V2，则栅极一发射极漏电流为V2/R。

4. 集电极一发射极饱和电压的测试

在规定条件下，测量器件在集电极一发射极饱和电压Vce（sat）如图所示

图4

电路说明和要求: G1:可调直流电压表; G2:可调直流电压表; V1,V2:直流电压表; A:直流电流表; R:集电极负载电阻器; 测量程序:调节电压源Gl，使器件栅极一发射极间的电压达到规定值(15V)。调节电流源G2，使器件集电极电流到规定值(12A)。这时电压表V2读数即为所测得集电极-发射极饱和电压。

5.集电极—发射极通态压降Vce（on）测试

即指在额定集电极电流Ic和额定G—E电压GEV下的集电极—发射极通态压降。该参数是IGBT应用中的重要参数，其大小直接决定通态损耗的大小。如图：

6．续流二极管的正向压降Vfm测试

即指IGBT模块中与IGBT芯片反并的续流二极管的正向压降。该值与IGBT模块的关断特性紧密相关，若Vfm小，则IGBT关断速度快，关断损耗会减小，但是关断时IGBT上的过冲电压尖峰较高；反之，则会造成关断损耗增大。原理图如下

3.2、动态参数测试

1．擎住电流LUT测试

IGBT结构为pnpn 4层结构，如果条件合适，它能像晶闸管一样擎住，此时IGBT的负载为阻性负载。通常情况下，集电极电压Vcc为额定电压的60%，擎住电流为额定电流的两倍。LUT测试的时序图如图6所示。通常测试系统的电流保护值Iprot设定为额定电流的3．5—4倍。

图6

2．能耗lossE测试

对于电路设计者来说，开关过程中元件内部的能量损耗非常重要，籍此可计算出开关损耗的平均值。进行此项测试时，IGBT 负载为感性负载。总的开关损耗值由两部分组成：①开通损耗onE，其中包括与IGBT芯片反并续流二极管的反向恢复损耗；②关断损耗offE，包括电流拖尾部分的损耗。IGBT开关损耗波形如图7所示。

图7

3. 反偏安全工作区(RBSOA)测试

该项测试主要用于考核IGBT模块关断时工作在最大电流和电压下的工作能力。此时，IGBT 的负载为感性负载，其测试原理图和参考波形如图8所示。

图8

4．短路测试

该项测试是在一定的Vcc下检测IGBT模块直接对电源短路的有限时间，借此考核IGBT承受电流过冲的能力。其测试原理图和参考波形如图9所示。

图9

四、总结

通过绝缘栅双极型晶体管的参数进行测试，让我更加了解IGBTIGBT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，它融合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