igbt的作用和功能 igbt的工作原理

IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，是由BJT（双极晶体管）和IGFET（Insulated Gate Field Effect Transistor）组成的复合全控电压驱动功率半导体器件。它兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降的优点。

一、简介

IGBT，  Insulated Gate Bipolar Transistor，是一种复合全控电压驱动功率 半导体器件 由BJT（双极晶体管）和IGFET（绝缘栅场效应晶体管）组成。它兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降的优点。GTR的饱和电压降低，载流密度大，但驱动电流更大。MOSFET的驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT结合了以上两种器件的优点，驱动功率小，饱和电压降低。非常适合用于直流电压600V及以上的变流系统，如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动等领域。

IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极晶体管）和FWD（续流二极管）通过特定的电路桥封装而成的模块化半导体产品。封装后的IGBT模块直接应用于逆变器、UPS不间断电源等设备。IGBT模块具有节能、安装维护方便、散热稳定等特点。一般IGBT也指IGBT模块。随着节能环保等理念的推进，此类产品将在市场上越来越普遍。IGBT是能量转换和传输的核心器件，俗称电力电子器件的“CPU”，广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源设备等领域。

二、IGBT的结构

该图显示了一种 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。N+区称为源极区，其上的电极称为源极（即发射极E）。N基区称为漏区。器件的控制区为栅极区，其上的电极称为栅极（即栅极G）。沟道形成在栅区的边界处。C 极和 E 极之间的 P 型区域称为子通道区域。漏极区另一侧的 P+ 区称为漏极注入器。它是IGBT独有的功能区，与漏极区和子沟道区一起构成PNP双极晶体管。它充当发射极，将空穴注入漏极，进行传导调制，并降低器件的通态电压。

IGBT的开关作用是通过加正栅电压形成沟道，为PNP（原NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向栅压消除沟道，切断基极电流，就会关断IGBT。IGBT的驱动方式与MOSFET基本相同。它只需要控制输入N沟道MOSFET，因此具有高输入阻抗特性。MOSFET的沟道形成后，从P+基极向N-层注入空穴（小载流子），调制N-层的电导，降低N-层的电阻。因此 IGBT 即使在高压下也具有较低的通态电压。

IGBT是一种三端器件。它有栅极G、集电极c和发射极E。IGBT的结构和简化等效电路如图所示：

IGBT内部结构及等效电路 

图为N-IGBT结合N沟道VDMOSFFT和GTR的内部结构截面示意图。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成大面积PN结J1。P+注入区在IGBT导通时向N基区发射少数载流子，从而调制漂移区的电导率，从而使IGBT具有强大的电流流动能力。P+注入区和N-漂移区之间的N+层称为缓冲区。是否有缓冲器决定了IGBT的不同特性。带有N*缓冲器的IGBT称为非对称IGBT，也称为穿通IGBT。具有正向压降小、关断时间短、关断时尾电流小等优点，但其反向阻断能力相对较弱。不带N-buffer的IGBT称为对称型IGBT，也称为非穿通型IGBT。它具有很强的正向和反向阻断能力，但它的其他特性不如非对称IGBT。

图中所示的简化等效电路表明，IGBT是由GTR和MOSFET组成的达林顿结构。这种结构一部分是由MOSFET驱动，另一部分是厚基极PNP晶体管。

从等效电路来看，IGBT可以作为PNP双极晶体管和功率MOSFET达林顿连接形成的单片Bi-MOS晶体管。

因此，当在栅极和发射极之间施加正电压以开启功率MOSFET时，PNP晶体管的基极-集电极连接到低电阻，使得PNP晶体管处于导通状态。添加 p+ 层，将空穴从 p+ 层注入到处于导通状态的 n 基极，从而触发电导率的变化。因此，与功率 MOSFET 相比，它可以获得极低的导通电阻。

之后，当栅极和发射极之间的电压为0V时，功率MOSFET处于截止状态，PNP晶体管的基极电流被截止，从而处于截止状态。

如上所述，IGBT与功率MOSFET一样，可以通过电压信号控制开通和关断。

三、工作特点

1.静态特性

IGBT的静态特性主要包括伏安特性和传输特性。

IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参数时漏电流与栅电压的关系曲线。输出漏极电流比由栅源电压 Ugs 控制。Ugs 越高，Id 越大。与GTR的输出特性类似，也可分为饱和区1、放大区2、击穿特性。在IGBT关断状态下，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果没有 N+ 缓冲器，正向和反向阻断电压可以处于同一水平。加上N+缓冲器后，反向关断电压只能达到几十伏的水平，这限制了IGBT的某些应用范围。

IGBT的传递特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs的关系曲线。它具有与 MOSFET 相同的传输特性。当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT开通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最大栅源电压受最大漏极电流的限制，其最佳值一般在15V左右。

2.动态特性

动态特性也称为开关特性。IGBT的开关特性分为两部分：一是开关速度，主要指标是开关过程各部分的时间；另一个是切换过程中的损耗。

IGBT的开关特性是指漏极电流和漏源极电压之间的关系。当 IGBT 处于导通状态时，其 B 值极低，因为其 PNP 晶体管是宽基极晶体管。虽然等效电路是达林顿结构，但流过 MOSFET 的电流成为 IGBT 总电流的主要部分。此时的通态电压Uds(on)可以用下式表示：

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～1V；Udr —— 延伸电阻 Rdr 上的电压降；Roh——通道电阻。

通态电流 Ids 可用以下公式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

在公式中，Imos 是流过 MOSFET 的电流。

由于N+区的电导调制效应，IGBT的通态压降很小。耐压为1000V的IGBT的通态压降为2～3V。当 IGBT 处于关断状态时，只存在很小的漏电流。

在开启过程中，IGBT 大部分时间都作为 MOSFET 运行。在漏源电压Uds下降过程的后期，PNP晶体管从放大区进入饱和，增加了延迟时间。td(on) 是开启延迟时间，tri 是电流上升时间。在实际应用中，漏极电流导通时间ton为td(on)tri之和，漏源电压下降时间由tfe1和tfe2组成。

IGBT的触发和关断需要在其栅极和基极之间加一个正电压和一个负电压，栅极电压可以由不同的驱动电路产生。在选择这些驱动电路时，必须基于以下参数：器件关断偏置要求、栅极电荷要求、耐久性要求和电源条件。由于 IGBT 的栅发射极阻抗较大，可以采用 MOSFET 驱动技术进行触发。但是，由于 IGBT 的输入电容比 MOSFET 的大，所以 IGBT 的关断偏置要高于许多 MOSFET 驱动电路提供的偏置。

在IGBT关断期间，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP三极管所储存的电荷难以快速消除，导致漏极电流的拖尾时间较长。td(off)是关断延迟时间，trv是电压Uds(f)的上升时间。实际应用中经常给出的漏极电流下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)组成，漏极电流的关断时间t(off)=td(off)+trv + t(f)。式中：td(off)与trv之和也称为存储时间。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT关断时不需要负栅极电压来减少关断时间，但关断时间随着栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约为3～4V，与MOSFET的开启电压相当。IGBT导通时的饱和压降低于MOSFET，接近GTR，饱和压降随着栅极电压的升高而减小。

正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需要。在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上。目前，高压应用只能通过IGBT高压串联等技术来实现。瑞士ABB等一些厂商利用软穿通原理开发了8KV IGBT器件。德国EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已投入实际应用，日本东芝也已涉足该领域。同时，各大半导体厂商不断开发高耐压、大电流、高速、低饱和压降、

四、IGBT的工作原理

1.开机

IGBT硅片的结构与功率MOSFET非常相似。主要区别在于IGBT增加了P+衬底和N+缓冲层。其中一个 MOSFET 驱动两个双极器件。衬底的应用在管体的 P+ 和 N+ 区域之间创建了 J1 结。当正栅极偏压使栅极下方的P基区反转时，形成N沟道。同时出现电子电流，电流的产生方式与功率MOSFET完全相同。如果该电子流产生的电压在 0.7V 范围内，J1 将正向偏置。一些空穴被注入到 N 区并调整阴极和阳极之间的电阻率。以这种方式，减少了功率传导的总损耗，并开始了第二次充电流。最终结果是在半导体层次结构中暂时出现了两种不同的电流拓扑：电子流（MOSFET 电流）；空穴电流（双极）。

2.关机

当对栅极施加负偏压或栅极电压低于阈值时，沟道被禁止，没有空穴注入N区。在任何情况下，如果 MOSFET 电流在开关阶段迅速下降，则集电极电流会逐渐下降。这是因为，换相开始后，N层中仍有少量载流子（次载流子）。此剩余电流值（唤醒电流）的减少完全取决于关闭时的电荷密度。密度与几个因素有关，例如掺杂剂的数量和拓扑结构、层厚和温度。少数载流子的衰减导致集电极电流具有特征性的尾流波形。集电极电流会导致以下问题： 1. 功耗增加；2.二极管。

由于尾流与少数载流子的复合有关，因此尾流的电流值应与芯片的温度和与IC和VCE密切相关的空穴迁移率密切相关。因此，根据所达到的温度，减少电流对终端设备设计的这种不良影响是可行的。

3.阻塞和锁定

当在集电极上施加反向电压时，J1 将受到反向偏压的控制，耗尽层将扩展到 N 区。如果该层的厚度减少太多，将无法获得有效的阻挡能力。因此，这种机制非常重要。另一方面，如果你将这个区域的大小增加太多，它会不断增加压降。第二点清楚地解释了为什么 NPT 器件的电压降高于等效（IC 和速度相同）的 PT 器件。

当栅极和发射极短接并在集电极端施加正电压时，P/N J3结由反向电压控制。此时，N漂移区的耗尽层仍承受外加电压。

一般情况下，静态锁存器和动态锁存器的主要区别如下：

当晶闸管都打开，静态锁存发生。动态闭锁仅在晶闸管关断时发生。这种特殊现象严重限制了安全操作区域。为了防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，需要采取以下措施：防止NPN部分导通，分别改变布局和掺杂水平，降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外，锁存电流对 PNP 和 NPN 器件的电流增益有一定的影响。因此，它与结温有非常密切的关系；当结温和增益增加时，P基区的电阻率会增加，破坏整体特性。所以，

五、IGBT的历史

1979年，MOS栅极功率开关器件作为IGBT概念的先驱被引入世界。该器件外观为类晶闸管结构（PNPN四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成V型槽栅。

1980年代初，IGBT采用了用于功率MOSFET制造技术的DMOS（Double Diffusion Formed Metal-Oxide-Semiconductor）工艺。当时的硅片结构是较厚的NPT（non-punch through）型设计。后来通过使用PT（punch-through）结构方法，在参数权衡上获得了显着的提升。这是由于硅晶片外延技术的进步以及为给定阻断电压设计的 n+ 缓冲层的使用。在过去的几年里，这种在PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅极结构的设计规则已经从5微米进步到3微米。

1990年代中期，沟槽栅结构回归到IGBT的新概念，它是借用大规模集成（LSI）工艺的硅干法刻蚀技术实现的一种新刻蚀工艺，但仍然是punch-through（ PT) 型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了通态电压和关断时间之间权衡的更重要的改进。

穿通（PT）技术具有较高的载流子注入系数，由于需要控制少数载流子的寿命，因此其传输效率变差。另一方面，非穿通（NPT）技术是基于不扼杀少数载流子寿命，具有良好的传输效率，但其载流子注入系数相对较低。此外，非穿通（NPT）技术已被软穿通（LPT）技术所取代，类似于一些人所说的“软穿通”（SPT）或“电场截止” (FS)型技术，这使得“性价比”的整体效果得到了进一步的提升。

1996年，CSTBT（载流子存储沟槽栅双极晶体管）实现了第五代IGBT模块，该模块采用弱穿通（LPT）芯片结构，采用更先进的宽单元间距设计。目前，IGBT器件的“反向阻断型”功能或“反向传导型”功能等新概念正在研究中，以进一步优化。

现在，大电流、高压IGBT已经模块化，并且已经制造了集成的专用IGBT驱动电路。其性能更好，整机可靠性更高，体积更小。