IT绝缘栅双极晶体管

+
J3 J2 J1
S —D
S
IGBT的正向阻断电压 则是由J2结的雪崩电压
—
决定。因为VCE为正
时，若栅极对发射极短
J3
路，J2结处于反向偏置
状态而VDMOS未能形 厚基区 J2
成导电沟道。
J1
但若此时对栅极加正向
电压，沟道体表面形成
沟道，IGBT进入正向
+
导通状态。
D
S
IGBT导通原理
+（小
—
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动态特性（开关特性）
uGE tON
0.9UGEM
UST 0.1UGEM
UGEM
钳位效应：G-E驱动电流≈
二极管正向特 性
tOFF
t
iC
0.9ICM
0.1ICM
uCE
t2
ICM
t1
MOSON GTRON
IGBT模块
IGBT（IGT），1982年研制， 第一代于1985年生产，主要 特点是低损耗，导通压降为 3V，下降时间0.5us，耐压 500—600V，电流25A。第二 代于1989年生产，有高速开 关型和低通态压降型，容量 为400A/500—1400V，工作频 率达20KHZ。
目前第三代正在发展，仍然分 为两个方向，一是追求损耗 更低和速度更高；另一方面 是发展更大容量，采用平板 压接工艺，容量达1000A， 4500V；命名为IEGT （InjectionEnhancedGateTra nsistor)
BiMOS器件
兼双极和单极型器件所长构成的 一种新型器件。这种新型器件设 计与制造技术就是双极—MOS复 合器件技术，简称BiMOS技术。 如IGBT、MCT等。
IGBT IGBT-绝缘栅双极晶体管
——是一种新型电力电子器件，具有输 入阻抗高、通态压降低、驱动电路简单、 安全工作区宽、电流处理能力强的特点， 广泛应用在电机控制、中频开关电源和 逆变器、机器人、空调器以及要求快速、 低损耗的许多领域
• 从正向阻断状态转换到 正向导通的过程。
❖ 开通延迟时间td(on) ： 10%IICC从M所10需%U时C间EM。到
❖ 电流上升时间tr ： 90%ICI从CM1所0%需I时CM间上。升至
❖ 开通时间ton ：
•
ton = td(on) + tr
图3.7.3 IGBT的开关特性
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• IGBT也属场控器件，其驱动原 理与电力MOSFET基本相同，是一 种由栅极电压UGE控制集电极电流 的栅控自关断器件。
❖ 导通：UGE大于开启电压UGE(th)时，
MOSFET内形成沟道，为晶体管提 供基极电流，IGBT导通。
❖ 导通压降：电导调制效应使电阻 RN减小，使通态压降小。
❖ 关断：栅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。
图3.7.2 IGBT伏安特性
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IGBT阻断原理
IGBT的集电极相对于发射 极加负电压时，由于P+N 结（J1）处于反偏状态， 因而不管VDMOS的沟道 体中有没有形成沟道，电 流都不能在C、E间形成。 因此IGBT比VMOS多了一 个J1结，因而获得了反向 电压阻断能力。反向阻断 电压的高低决定于J1结的 雪崩击穿电压。
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IC VCE
❖转移特性
由图可知，IGBT电流 密度较大，通态电压 的温度系数在小电流 范围内为负，大电流 范围内为正，其值约 为1.4倍/100℃。
这是因为在低电流区域，VBE、hFE起支配作用，
故具有负的温度系数。而在大电流区Repi，Rch
起支配作用，器件便具有正温度系数。
不进入深饱和区，它的 电压降比处于深饱和区
Rb BJT
的 同 样 PNP 管 要 高 。 然
G
而特别应该指出的是： MOSFET
一 个 IGBT 发 射 极 覆 盖
芯片的整个面积，因此
它的注射效率和通态压
S
降比同样尺寸的双极晶
体管要优越得多。
对于已正向导通的 IGBT，如果想令其转 入关断状态，只须让 VG=0即可，可以通过 将栅极与发射极短路来 实现。
S
α2 α1
D
等效电路
C（D） G
E（S）
图形符号
特点：
具有通态密度 高、正反向阻 断能力强以及 导通和关断双 可控特点，且 功耗小
3、IGBT分类
沟道
N沟道IGBT P沟道IGBT
缓冲区
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有，非对称型IGBT（穿通型）
PT-IGBT: 冲压机Throught-IGBT
无，对称型IGBT（非穿通型）
1．开通过程：
td(on)：开通延迟时间 tri：电流上升时间 tfv1，tfv2：漏源电压下降时间 tfv1：MOSFET单独工作时的 电压下降时间。
tfv2：MOSFET和PNP管同时 工作时的电压下降时间。随漏
源电压下降而延长；受PNP管
饱和过程影响。
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IGBT的开关特性 （1）IGBT的开通过程：
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IGBT的转移特性曲线（如图b）
IGBT开通：
UGE>UGE(TH)(开启电压,一 般为3～6V) ；其输出电流Ic 与驱动电压UGE基本呈线性关 系；
IGBT关断：
UGE<UGE(TH)；
图3.7.2 IGBT的伏安特 性和转移特性
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饱和压降特性
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tfi2——IGBT内部的PNP晶体管 的关断过程，ic下降较慢。
图3.7.3 IGBT的开关特性
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3．开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。 ①漏极电流的开通时间和上升时间： 开通时间：ton=td(on)+tri 上升时间：tr=tfv1+tfv2 ②漏极电流的关断时间和下降时间： 关断时间：toff=td(off)+trv 下降时间：tf=tfi1+tfi2 ③反向恢复时间：trr
电子由N+发射区经反型层进
入N基区。降低了N基区的电
位。加速P+区向N-注入空穴
J3
进程。直到超过N基区中的 多数载流子。
J2
只要栅压足够高，IGBT的通
J1
态伏安特性就与二极管的通
态特性一样，即使阻断电压
额定值较高的器件，其电流
容量也能达到很高值。
+
D
作为一个虚拟达林
D
顿 电 路 末 级 ， PNP 管 从
1700V/1200A ， 3300V/1200A IGBT 模块
IGBT模块内部结构
Powerex CM300DY-24H
4x IGBT
4x二极管
4.1 IGBT的结构和工作原理
IGBT是在VMOS的基础上发展起来的， 两者结构十分类似，不同之处是IGBT 多了一层P+层发射极，从而多了一个 大面积的P+N结（J1）。 IGBT也有N沟道和P沟道之分。
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IGBT的关断过程 ❖ 关断延迟时间td(off) ：从UGE
后沿下降到其幅值90%的时刻 起，到ic下降至90%ICM
❖ 电流下降时间：ic从90%ICM
下降至10%ICM 。
❖ 关断时间toff：关断延迟时间
与电流下降之和。
电流下降时间又可分为tfi1和tfi2
tfi1——IGBT内部的MOSFET的 关断过程，ic下降较快；
双极型器件
GTR（大功率晶体管）结构示意图
优点：由于有少数载流子的注入对漂 移区电导的调制，其通流能力一般都 很高，电流密度约为200~300A/cm2， 因此器件尺寸小，价格低。
缺点：除开关速度低外，开关过程中 的功率消耗太大。
单极型器件
VMOS结构示意图
克服了双极型器件的以上二个缺 点，但由于没有少数载流子的电 导调制作用，以至于通态电阻 Ron较大，通流能力较小。如 600V耐压VMOS最大电流密度仅 为10A/cm2。
✓ IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和 区和击穿区。
图3.7.2 IGBT的伏安特性和转移特性
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当MOSFET的导电沟道充分 开启，IGBT的集电极电流主 要由钉二极管部份决定，其
通态伏安特性为指数函数， 而VMOS和GTR皆为线性关 系。因此，在同样的耐压下， 使用IGBT比使用VMOS和 GTR更容易通过较大电流， 获得更大的功率输出。如对 于600V等级的器件，IGBT能 够承受的最大电流密度一般 是VMOS的20倍，是GTR的5 倍左右。
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21ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一.非对称型IGBT的物理描述 栅极 发射极
SiO2 N
J3 J2
源极 P N
J1
N
P
N SiO2
体 区
飘移区
缓冲区 注入 区
漏极
★ 电导调制 ★ 反向阻断
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集电极
G MOSFET
CD
Rb BJT
E S 22
双载流子参与导电
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2、工作原理：
1、基本结构
IGBT每个器 件单元实际 上就是 MOSFET和 双极晶体管 BJT的组合
集电极 C
铝栅结构IGBT
硅栅结构IGBT
MOSFET
• IGBT的构造和功率MOSFET的对比 如左图所示。IGBT是通过在功率 MOSFET的漏极上追加p+层而构成 的，从而具有以下特征。
• 1电压控制型元件
由于IGBT中的电 导调制效应的影响， PT型IGBT的饱和 压降，在小电流区 域具有负温度系数， 在大电流区域具有 正温度系数。但 NPT型IGBT中， 电导调制效应的影 响没有PT型IGBT 强，因此NPT型 IGBT具有正温度 系数，适应于并联 使用。
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（二）动态特性
平台：由于门源间流过驱动电流，门源 间呈二极管正向特性，VGS维持不变。
• IGBT的理想等效电路，正如图2所示，
是对pnp双极型晶体管和功率MOSFET
进行达林顿连接(就是两个三极管接在一起，
IGBT
极性只认前面的三极管)后形成的单片型Bi-
MOS晶体管。因此，在门极—发射极之
间外加正电压使功率MOSFET导通时，
pnp晶体管的基极—集电极间就连接上
了低电阻，从而使pnp晶体管处于导通
思考与讨论
1, 请分析IGBT与MOSFET的区别。 2, 请分析IGBT的工作原理。
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IGBT的工作特性包括静态和动态两类：静态特性。IGBT的静态特性主 要有伏安特性、饱和电压特性、转移特性和开关特性。
4、工作特性与参数
❖伏安特性
（1）静态特性
IC
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VBR VC E
NPT-IGBT:非冲压机Throught-IGBT
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IGBT按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于P+ 发射区和N-飘移区之间的N+层。无缓冲区者称 为对称型IGBT，有缓冲区者称为非对称型IGBT。 因为结构不同，因而特性也不同。非对称型 IGBT由于存在N+区，反向阻断能力弱，但其正 向压降低、关断时间短、关断时尾部电流小；与 此相反，对称型IGBT具有正反向阻断能力，其 他特性却不及非对称型IGBT。目前商品化的 IGBT单管或模块大部分是非对称型IGBT。
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2．关断过程：
td(off)：延迟时间
trv：VDS上升时间
tfi2：由PNP晶体管中 存储电荷决定，此时 MOSFET已关断， IGBT又无反向电压， 体内存储电荷很难迅 速消除，因此下降时 间较长，VDS较大，功 耗较大。一般无缓冲 区的，下降时间短。
由MOSFET决定
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状态。此后，使门极—发射极之间的电
压为0V时，首先功率MOSFET处于断路
状态，pnp晶体管的基极电流被切断，
从而处于断路状态。如上所述，IGBT
和功率MOSFET一样，通过电压信号可
以控制开通和关断动作。
• 2耐高压、大容量
• IGBT和功率MOSFET同样，虽然在门极上外加正电压 即可导通，但是由于通过在漏极上追加p+层，在导通 状态下从p+层向n基极注入空穴，从而引发传导性能的 转变，因此它与功率MOSFET相比，可以得到极低的 通态电阻。
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由于MOSFET和PNP管在这里是 达林顿接法，其电流不会像 MOSFET那样从零伏开始上升， 而是存在着PNP晶体管VBE所需 要的偏置电压。一旦电导调制效 应发生后，其动态电阻与 MOSFET相比则非常小。
➢IGBT不适合于要求器件压降低于0.7V的场合下使用
➢击穿电压高的IGBT器件电流容量较低。高耐压器件 的N基区较宽。
IGBT的伏安特性与GTR 类似，不同之处是，控 制参数是门源电压VGS， 而不是基极电流，伏安 特性分饱和区（Ⅰ）、 放大区（Ⅱ）和击穿区 （Ⅲ）。如果无N+缓冲 区，正反向阻断电压可 以做到同样水平，但加 入缓冲区，反向阻断电 压只有几十伏。
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IGBT的伏安特性
反映在一定的栅极一发射极电压UGE下器件的输 出端电压UCE与电流Ic的关系。