igbt的特性和应用

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1、IGBT的特性和应用西安通信学院 王鸿麟西安理工大学 周晓军摘要：本文介绍IR（InternationalRectifier）公司绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的特性和应用。首先介绍了哭件的特性，并且与MOSFET和双极型晶体管的特性作了对比，然后介绍了IGBT的主要参数以及应用中应考虑的几个重要问题，如：栅极驱动要求，功耗计算和散热器设计等。关键词：绝缘栅双极型晶体管，跨导，锁定，电导率调制1.引言  由于功率MOSFET具有开关速度快，峰值电流大，容易驱动，安全工作区宽，dV/dt耐量高等优点，在小功率电子设备中得到了广泛应用。但是由于导通特性受和额定电压的影响很大，而且工作电压较高时，

2、MOSFET固有的反向二极管导致通态电阻增加，因此在大功率电子设备中的应用受至限制。  IGBT是少子器件，它不但具有非常好的导通特性，而且也具有功率MOSFET的许多特性，如容易驱动，安全工作区宽，峰值电流大，坚固耐用等，一般来讲，IGBT的开关速度低于功率MOSET，但是IR公司新系列IGBT的开关特性非常接近功率MOSFET，而且导通特性也不受工作电压的影响。  由于IGBT内部不存在反向二极管，用户可以灵活选用外接恢复二极管，这个特性是优点还是缺点，应根据工作频率，二极管的价格和电流容量等参数来衡量。  IGBT的内部结构，电路符号及等效电路如图1所示。可以看出，除了P衬底外，IGB

3、T的剖面与功率MOSFET相同。  尽管IGBT与功率MOSFET的结构有许多相同之处，但是IGBT的工作过程非常接近极型晶体管。这是由于衬底P注入的少子使N区载流子浓度得到显著提高，产生电导通调制效应，从而降低了N区的导通压降。而功率MOSFET的结构不利于电导调制，因此，在N区中产生很大在导通压降，对500V的MOSFET来说，该导通压降大约为70%。  如等效电路所示，IGBT可等效为N沟道MOSFET驱动PNP管的达顿结构。结型场效应管JFET承受大部分电压，并且让MOSFET承受较低的电压，因此，IGBT具有较低的导通电阻RDS(ON).2.IGBT的特性2.1导通特性  从等效电

4、路图可以看出，IGBT两端的电压降是两个元件的压降之和：P-N结的结压降和驱动用MOSFET两端的压降。因此，与功率MOSFET不同，IGBT的通态压降不可能低于二极管导通压降。另一方面驱动用MOSFET具有低压MOSFET的典型特性，它的电压降与门极驱动电压有密切关系。当电流接擦额定值时，门极电压增加时，集电极-发射极将下降。这是因为：在器件工作范围内，PNP管的增益随电流增加而增加而栅极电压增加引起沟道电流增加，因此，PNP管两端的电压减小。这一点与高压功率MOSFET差别很大.  作为伪达顿接法的后极，PNP管绝不能深饱和，因此它的电压降高于深饱和PNP管，然而，应当说明，由于IGBT

5、的发射极覆盖了芯片的全部面积。因此，IGBT的注入效率和导通压降都比同面积的双极晶体管好得多。  对器件设计者来说，有两种减小导通压降的方法可供选择。  （1）减小MOSFET的通态电阻。可通过增加芯片面积和组装密度来实现。  （2）增加PNP管的增益。这个方法也受锁定因素的限制。  电导调制对导通压降的巨大影响如图2所示，图中比较了芯片面积相同的IGBT和功率MOSFET的导通压降。由图可见，功率MOSFET（IRF840）的导通压降受温度的影响很大。IGBT(IRGBC40U和IRGBC40S)的导压降很低而且受温度的影响也较小。当器件的电流不同时，温度对导通压降的影响也不相同。这是因为

6、电流较大锂，二极管压降的温度系数由原来的负值变为正值。另一方面，MOSFET的压降的温度系数值为正值。在不同电流和温度时，两个元件的压降不同，使IGBT与MOSFET压降的差别更大。  此外，电导调制还可以基本上消除器件的额定电压对导通压降的影响。表1列出了电流相同的四种额定电压的IGBT和功率MOSFET的导通电压值。表1导通压降与额定电压的关系额定电压（V） IGBT 100 300 600 1200MOSFET 100 250 500 1000导通压降（V） IGBT 1.5 1.5 2.4 3.1MOSFET 2.0 11.2 26.7 1002.2开关特性  IGBT关断速度的最大

7、限制是N外延层（即PNP管的基区）中的少子寿命。因为这个基区不易受外电路影响，所以不能用外部驱动电路来缩短IGBT的开关时间。但是，因为PNP管采用伪达林顿接法，它没有存贮时间并且它的关断时间远远大于深饱和状态的PNP管。虽然如此，在许多高频设备中IGBT仍然不适用。  基区内的存贮电荷，引起IGBT关断时电流波形出现延迟脉冲如图3所示。IGBT的电流不能迅速降低到空穴复合电流。这样不仅增加了关断损耗，而且在