电力电子器件知识讲座(七)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(一)
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【编者按】电力电子器件是半导体功率器件的总称，是构成电力电子设备的基础，是从事电力电子器件设计、研发、生产、营销和应用人员以及电源技术工作者应该熟悉的内容。本刊从今年4月份开始以“电力电子器件知识”为题开展讲座，以满足广大读者增长知识和用好这些器件的需求。欢迎厂家及用户的工程师们撰稿，并望提出宝贵意见。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称igbt)是由功率MOSFET和GTR复合而成的一种具有电压控制的双极型自关断器件。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大，驱动电路复杂；功率MOSFET驱动功率小，驱动电路简单，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了GTR和功率MOSFET的优点，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动功率小、饱和压降低、控制电路简单、耐高压、承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。由于设计最佳化及近年来应用了大容量存储器的工艺技术，其特性有了很大的改善，应用范围已超过了过去GTR及功率MOSFET。自1986年投入市场后，IGBT就迅速扩展了应用领域，取代了GTR和一部分功率MOSFET的市场，成为中、大功率电力电子设备的主导器件，不仅应用于电力系统，而且也广泛应用于一般工业、交通运输、通信系统、计算机系统、新能源系统，还应用于照明、空调等家用电器中。目前IGBT的产品已系列化，产品中最高耐压为6500V，电流为1200A，并在继续努力提高电压、电流容量和开关频率。目前已成为应用最广泛的电力电子器件之一。
1IGBT的基本结构
1.1IGBT的基本结构
绝缘栅双极型晶体管本质上是一个场效应晶体管，在结构上与功率MOSFET相似，只是原功率MOSFET的漏极和漏区之间额外增加了一个P+型层。图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极型晶体管结构剖面图，N+区称为源区，附于其上的电极称为“发射极”(等效于功率MOSFET中的源极)。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为“栅极”。N-层为漂移区，N+层为缓冲区(这个在IGBT中并非必需，具体内容将在后面详细介绍)。IGBT的结构中，栅极和源极与功率MOSFET相似，IGBT的结构与功率MOSFET的不同之处在于IGBT在N沟道功率MOSFET的N+层上增加了一个P+层，形成PN结J1，并由此引出漏极，在IGBT中称为“集电极”。
在IGBT中，与发射极连接的P区、漂移区N-区、缓冲区N+区、P+区构成了一个PNP型晶体管(见图1所示)。连接集电极的P+型注入层是IGBT特有的功能区，起集电极的作用，向漂移区N-区注入空穴，对漂移区N-区进行电导调制，使IGBT在开通状态下，漂移区N-区保持较高的载流子浓度，以降低器件的通态电压。
IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正向电压时，栅极下方的P区中形成电子载流子导电沟道，电子载流子由发射极的N+区通过导电沟道注入N-漂移区，即为IGBT内部的PNP型晶体管提供基极电流，从而PNP型晶体管导通，同时也使IGBT导通。此时，为维持N-漂移区的电平衡，P+区向N-漂移区注入空穴载流子，并保持漂移区N-区具有较高的载流子浓度，即对N-区漂移区进行电导调制，减少漂移区的导通电阻，使具有长漂移区的高耐压IGBT也具有低的通态压降。若栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
实际上，在IGBT结构中，除上面分析的内部PNP型晶体管外，还存在一个NPN型晶体管，它由与发射极连接的N+区、P体区、漂移区N-区构成。为了防止PNP型与NPN型晶体管组合发生晶闸管效应，设计时尽可能使该NPN型晶体管不起作用，如图1中，将NPN型晶体管的发射极和基极用铝电极短路。因此，IGBT的基本工作与NPN型晶体管无关，可以等效为由N沟道MOSFET作为输入级，PNP型晶体管作为输出级的达林顿管。IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管，如图2所示。IGBT综合了功率MOSFET的快速开关特性和双极型晶体管导通压降低的优点。IGBT是以双极型晶体管为主导件、MOSFET为驱动件的复合器件。
1.2IGBT的等效电路与图形符号
图2、图3所示为IGBT的图形符号，其中箭头方向表示IGBT开通时流过的电流方向。
2IGBT的基本工作原理
2.1IGBT的阻断原理
IGBT与MOSFET是一样的，可以通过控制栅极与发射极之间的驱动电压来实现器件的导通和阻断。IGBT的正向阻断原理与MOSFET相似。当栅极电压UGE低于门槛电压UT时，在IGBT的栅极下方的P体区内，没有形成N型导电沟道，器件处于阻断状态。集电极-发射极之间的正向电压使PN结J2反向偏置，集电极-发射极之间的电压几乎全部由PN结J2承受，这时只有非常小的漏电流通过漂移区由集电极流向发射极。
2.2IGBT的导通原理
当加在IGBT上的栅极电压高于门槛电压UT时，同MOSFET一样，在IGBT的栅极下方的P体区将形成一个导电沟道，将N-漂移区与IGBT的发射极下方的N+区连起来。如图4所示，大量的电子通过导电沟道从发射极注入N-漂移区，成为内部PNP型晶体管的基极电流，由于J1结正偏，导致大量的空穴由注入区P+区注入N-漂移区。注入N-漂移区的空穴通过漂移和扩散两种方式流过漂移区，最后到达P体区。当空穴进入P体区以后，吸引了大量来自发射极接触的金属的电子，这些电子注入P体区，并迅速地与空穴复合，形成器件的导通电流，IGBT处于导通状态。
图5所示为IGBT内部等效MOSFET和双极型晶体管GTR的结构。在IGBT导通时，其电流通过内部等效MOSFET和GTR导通。图5所示为IGBT的等效电路，IGBT为一个MOSFET与一个双极型晶体管达林顿连接而成。IGBT导通压降为
UCE(on)=UJ1+Udrift+ICRchannel（5-1）
式中，UJ1为PN结J1的导通压降；Udrift为漂移区体电阻上的压降；Rchannel为P体区的等效导通电阻。因为在IGBT中存在电导调制作用，使得Udrift远小于相同工况下功率MOSFET的导通压降，这样整个IGBT的导通压降将会比MOSFET导通压降要小。
2.3IGBT的擎住效应
在IGBT中，内部的PNP型双极型晶体管和寄生NPN型双极型晶体管构成了一个晶闸管，如图6所示，存在晶闸管导通时的擎住效应。IGBT的擎住效应可以分为静态擎住效应和动态擎住效应。
静态擎住效应发生于导通状态的IGBT中。在IGBT内部存在两个晶体管，分别为PNP型晶体管和NPN型晶体管，在NPN型晶体管的基极和发射极之间并联一个等效体区电阻Rbr。当IGBT导通时，电流流过该体区电阻Rbr，并产生一定的压降，对于NPN型晶体管的基极来说，相当于加了一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正向偏置电压不够大，因此NPN型晶体管不会导通。但是，当集电极电流增加到一定值时，这个正向偏置电压将使NPN型晶体管导通，并且与PNP型晶体管相互激励，在这两个晶体管内部形成类似于晶闸管导通时的电流正反馈现象，使得集电极电流迅速上升，达到饱和状态，如果这时IGBT的栅极控制信号撤除，IGBT仍将处于导通状态，这意味着这时IGBT的栅极将失去控制作用，这种现象称为“静态擎住效应”。
IGBT在关断的过程中也会产生擎住效应，称为动态擎住效应。当IGBT关断时，IGBT内部的MOSFET功能单元关断十分迅速，在J2结上反向电压迅速建立，J2结上的电压变化引起位移电流CJ2dUDS/dt，该位移电流将在体区电阻Rbr上产生一个使内部寄生NPN型晶体管正向偏置的电压。因此IGBT关断速度越快，J2结上的电压变化也越快，由此产生的位移电流也越大，当位移电流超过某一临界值后，将使NPN型晶体管正偏导通，形成类似晶闸管导通过程的电流正反馈现象，产生“动态擎住效应”。动态擎住效应主要由电压变化率决定，此外还受集电极电流ICM及结温等因素影响。动态擎住效应所允许的集电极电流比静态擎住时的还要小，因此制造厂(商)所规定的临界集电极电流ICM是按不发生动态擎住效应所允许的最大集电极电流确定的。因此在使用IGBT时，必须限制IGBT的集电极电流，使其小于制造厂(商)规定的集电极电流最大值ICM。加大栅极驱动电阻将延长IGBT的关断时间，有利于减小电压变化率，限制IGBT的动态擎住效应。
3IGBT的特性与参数
3.1IGBT的静态特性
IGBT的静态特性是指以栅极驱动电压UGE为参变量时，IGBT通态电流与集电极-发射极电压UCE之间的关系曲线。在一定的集电极-发射极电压UCE下，集电极电流受栅极驱动电压UGE的控制，UGE越高，IC越大。IGBT的伏安特性通常分为饱和区、线性放大区、正向阻断区和正向击穿区四个部分，如图7所示。IGBT导通时，应该使IGBT工作于饱和区；IGBT在关断状态下，外加电压由J2结承担，应该保证IGBT处于正向阻断区内，此时最大集电极-发射极电压不应该超过击穿电压UBR。
3.2IGBT的转移特性
图8为IGBT转移特性示意图。转移特性表示的是IGBT集电极电流IC和栅极驱动电压UGE之间的关系，IGBT的转移特性与MOSFET的转移特性类似。当栅极驱动电压小于门槛电压UT时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，当栅极驱动电压高于门槛电压UT时，IGBT的集电极电流随着栅极驱动电压的增加而增加。最高栅极驱动电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
同MOSFET一样，IGBT的电流转移特性也受温度的影响，在大电流区域，在相同的栅极驱动电压的条件下，集电极电流随着温度的上升而下降，表现出负温度系数特性。这里主要也是受到IGBT内部电导调制效应的影响。
3.3IGBT的开关特性
IGBT的开关特性分为两大部分：一是开关速度，主要指标是开关过程中各部分时间；另一个是开关过程中的损耗。图9为常用的IGBT开关特性测试电路。该电路是一个斩波电路，其中VI1 (IGBT)作为开关，与VI2 (IGBT)反并联的二极管VD2作为感性负载的续流二极管，这里VI2的栅极驱动信号恒为－15V，因此VI2始终处于关断状态。通过控制开关管TV1 (IGBT)的栅极驱动信号，实现TV1的通、断，测试IGBT在开关过程中的电流、电压波形。图10所示为IGBT开关过程波形，从上到下分别为IGBT栅极驱动电压UGE，IGBT集电极-发射极电压UCE和IGBT的集电极电流IC。在图中，对IGBT开关过程中各个段的时间做了定义。在整个开关过程中，大致可以分为八个时间段，这里对开关过程中的时间作了以下定义：
(1)ton：开通时间，从有效开通信号产生到IGBT完全导通所需的时间。
(2)td(on)：开通延迟时间，从有效开通信号产生到IGBT集电极电流IC上升至导通时的幅值10％所需的时间。
(3)tri：电流上升时间，电流从导通时的10％上升到90％的时间。
(4)toff：关断时间，从有效关断信号产生到IGBT完全关断(电流为导通时的10％)所需的时间。
(5)td(off)：关断延迟时间，从驱动电压下降到其90％幅值时刻起，到IGBT集电极电流下降到其幅值90％所需的时间。
(6)tfi：电流下降时间，IGBT电流从导通时的90％下降到10％的时间。
(7)trr：内置二极管反向恢复时间。
3.4IGBT的开关过程
IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在集电极-发射极电压UCE下降过程后期，PNP型晶体管由放大区进入饱和区，增加了一段延迟时间。所以它的开通过程大部分与MOSFET的开通过程类似。图11所示即为开通过程中IGBT栅极驱动电压、集电极电流和集电极-发射极电压波形。
当驱动信号撤除以后，IGBT的关断电压、电流波形如图12所示。图中，从上至下分别为栅极驱动电压UGE、集电极电流IC、集电极-发射极电压UCE波形。从图中可以明显看出，在集电极电流开始下降之前，集电极-发射极电压UCE到稳态有一个上升的过程。关断过程的最初，存在关断延迟时间td(off)，然后由于IGBT中MOSFET成分的存在，产生了集电极-发射极电压上升时间trv。?笮