IGBT的工作原理

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)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,因此,可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点,又具有双极型器件容量大的优点,因而,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。

IGBT的工作原理

IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。

由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：
——IGBT栅极与发射极之间的电压;
——IGBT集电极与发射极之间的电压;
——流过IGBT集电极－发射极的电流;
——IGBT的结温。

如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 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，流过反向基极电流，使 IGBT 关断。

IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制输入极 N 一沟道 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 一层的空穴（少子），对 N 一层进行电导调制，减小 N 一层的电阻，使 IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

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、转移特性和开关特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压 Ugs 的控 制，Ugs 越高， Id 越大。它与 GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区 1 、放大区 2 和击穿特性 3 部分。在截止状态下的 IGBT ，正向电压由 J2 结承担，反向电压由 J1 结承担。如果无 N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入 N+ 缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些应用范围。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的关系曲线。它与 MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 Ugs(th) 时,IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与 Ugs 呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为 15V 左右。

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。 IGBT 处于导通态时，由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其 B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过 MOSFET 的电流成为 IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压 Uds(on) 可用下式表示Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh （ 2 － 14 ）式中 Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为 0.7 ～ IV ；Udr ——扩展电阻 Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。

通态电流 Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos (2 － 15 ）式中 Imos ——流过 MOSFET 的电流。

由于 N+ 区存在电导调制效应，所以 IGBT 的通态压降小，耐压1000V 的IGBT 通态压降为 2 ～ 3V 。

IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。