探究绝缘栅双极晶体管的原理及应用

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

IGBT的结构与功率MOSFET极为相似，所不同的是前者先用p+作衬底，然后再上面生长n+，n-型漂移层，再使用与后者相似工艺在漂移层上制作功率MOSFET。IGBT能用非常高的输入阻抗来进行电压控制，且具有高的正向导通电流密度。另外，还发现IGBT的导通态电压降随温度的增加而增大，这样就允许器件并联，并使在每个器件中有良好的电流分布。

三、 IGBT应用及其发展

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。已成熟地应用于高频大功率领域。它将MOSFET的电压控制、控制功率小、易于并联、开关速度高的特点和双极晶体管的电流密度大、电流处理能力强、饱和压降低的特点集于一身，表现出高的特点和双极晶体管的电流密度大、电流处理能力强、大电流、高频率等优越的综合性能[1-4]。IGBT主要用于逆变器、低噪音电源、UPS不间断电源以及电动机变频调速等领域。IBGT 的用途非常广泛，小到变频空调、静音冰箱、洗衣机、电磁炉、微波炉等家用电器。大到电力机车牵引系统都离不开它。IGBT在军事机载、靓载、雷达等随动系统中也有广泛的用途，目前，国内IGBT产品依赖进口。国外IGBT产品已大量生产。而国内IGBT还处于研制阶段。与国外相比，IGBT的制造工艺技术至少落后十年，IGBT的国产化形势相当紧迫。因此，开展IBGT的研发工作对我国国民经济和国防工业的发展具有十分重要的意义[5]。

【参考文献】

[1] 李恩玲，周如培. IGBT的发展现状及应用[J].半导体杂志 1998 23（3）：48-51.

[2] 华伟. 功率MOS器件的结构和性能[J]. 通信电源技术. 2001 9（3）：21-24.

[3] Hefner A R：An Investigation of the Drive Circuit Requirements for the Power IGBT. IEEE Trans. On Power Elec： 1991.6（2）：208～219.

[4] 陈漪涟. GTO逆变器与IGBT逆变器的应用于研究. 2002.

[5] Thiyagarajah K： A High Switching Frequency IGBT PWM Rectifier/Inverter System for AC Motor Drive Operating from Single Phase Supply.IEEE Trans. On Power Elec： 1991.6（4）：576～584.