igbt结构及应用 -ag尊龙app

结构及应用

igbt(insulated gate bipolar transistor)，绝缘栅ag尊龙app-kb88凯时官网登录，是由bjt(双极型)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型ag尊龙app-kb88凯时官网登录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ag尊龙app-kb88凯时官网登录较大;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。非常适合应用于为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、ag尊龙app-kb88凯时官网登录、照明电路、牵引传动等领域。

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。p 区称为漏区。ag尊龙app-kb88凯时官网登录的控制区为栅区，附于其上的电极称为ag尊龙app-kb88凯时官网登录。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的p 型区（包括p 和p 一区）（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ag尊龙app-kb88凯时官网登录，与漏区和亚沟道区一起形成pnpag尊龙app-kb88凯时官网登录，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。

　　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ag尊龙app-kb88凯时官网登录，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。

工作特性

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ag尊龙app-kb88凯时官网登录。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。在下的igbt ，ag尊龙app-kb88凯时官网登录由j2 结承担，ag尊龙app-kb88凯时官网登录由j1结承担。如果无n ，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ag尊龙app-kb88凯时官网登录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

　　式中uj1 —— ji 结的正向电压，其值为0.7 ～1v ；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

　　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，只有很小的存在。

动态特性

　　igbt 在开通过程中，大部分时间是作为mosfet 来运行的，只是在漏源电压uds 下降过程后期， pnp 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。

　　igbt的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极ag尊龙app-kb88凯时官网登录的要求、耐固性要求和的情况。因为igbt栅极- 发射极阻抗大，故可使用mosfet驱动技术进行触发，不过由于igbt的输入电容较mosfet为大，故igbt的关断偏压应该比许多mosfet驱动电路提供的偏压更高。

　　igbt在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为mosfet关断后，pnp晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间

　　t(off)=td(off) trv十t(f)

　　式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。

　　igbt的开关速度低于mosfet，但明显高于gtr。igbt在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极的增加而增加。igbt的开启电压约3～4v，和mosfet相当。igbt导通时的饱和压降比mosfet低而和gtr接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

　　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求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10kv以上，目前只能通过igbt高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如ag尊龙app-kb88凯时官网登录abb公司采用软穿通原则研制出了8kv的igbt器件，的eupec生产的6500v/600a高压大功率igbt器件已经获得实际应用，东芝也已涉足该领域。与此同时，各大生产厂商不断开发igbt的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1um以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。