电力电子半导体器件IGB

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1、第七章绝缘栅双极晶体管（IGBT)§7.1原理与特性一、概述IGBT——InsulatedGateBipolarTransistor近年来出现了许多新型复合器件，它们将前述单极型和双极性器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，因而发展很快．应用很广，已成为当前电力半导体器件发展的重要方向。其中尤以绝缘栅双极晶体管(1GBT)最为突出，在各个领域中有取代前述全控型器件的趋势。IGBT（IGT），1982年研制，第一代于1985年生产，主要特点是低损耗，导

2、通压降为3V，下降时间0.5us，耐压500—600V，电流25A。第二代于1989年生产，有高速开关型和低通态压降型，容量为400A/500—1400V，工作频率达20KHZ。目前第三代正在发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A，4500V；命名为IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor)二、工作原理：IGBT是在功率MOSFET的基础上发展起来的，两者结构十分类似，不同之处是IGBT多一个P+层发射极，可形成PN结J1，并由此引

3、出漏极；门极和源极与MOSFET相类似。1．分类：按缓冲区有无分为：①非对称型IGBT：有缓冲区N+，穿通型IGBT；由于N+区存在，反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间短，关断时尾部电流小。②对称型IGBT：无缓冲区N+，非穿通型IGBT；具有正、反向阻断能力，其他特性较非对称型IGBT差。按沟道类型：①N沟道IGBT②P沟道IGBT2．开通和关断原理：IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失

4、，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。①VDS为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。②VDS为正时：VGVT，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，在N-区产生电导调制，使器件正向导通。③关断时拖尾时间：在器件导通之后，若将门极电压突然减至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所突降，但由于N-区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。④锁定现象：由于IGBT结构中寄生着PNPN四层结构，存在着由于再生作用而将导

5、通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电流失控，进而引起器件产生破坏性失效。出现锁定现象的条件就是晶闸管的触发导通条件：α1+α2=1a.静态锁定：IGBT在稳态电流导通时出现的锁定，此时漏极电压低，锁定发生在稳态电流密度超过某一数值时。b.动态锁定：动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压的情况下、主要是因为在电流较大时引起α1和α2的增加，以及由过大的dv/dt引起的位移电流造成的。c.栅分布锁定：是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中个别先开通或后关断的IGBT之中的电流密度过大而形成局部锁定。——采取各种工艺措施，可以提高锁

6、定电流，克服由于锁定产生的失效。三、基本特性：（一）静态特性1．伏安特性：几十伏，无反向阻断能力饱和区放大区击穿区2．饱和电压特性：IGBT的电流密度较大，通态电压的温度系数在小电流范围内为负。大电流范围为正，其值大约为1.4倍／100℃。3．转移特性：与功率MOSFET的转移特性相同。当门源电压VGS小于开启电压VT时，IGBT处于关断状态，加在门源间的最高电压由流过漏极的最大电流所限定。一般门源电压最佳值15V。4．开关特性：与功率MOSFET相比，IGBT通态压降要小得多，1000V的IGBT约有2~5Ｖ的通态压降。这是因为IG

7、BT中N－漂移区存在电导调制效应的缘故。（二）动态特性1．开通过程：td(on)：开通延迟时间tri：电流上升时间tfv1，tfv2：漏源电压下降时间tfv1：MOSFET单独工作时的电压下降时间。tfv2：MOSFET和PNP管同时工作时的电压下降时间。随漏源电压下降而延长；受PNP管饱和过程影响。平台：由于门源间流过驱动电流，门源间呈二极管正向特性，VGS维持不变。2．关断过程：td(off)：延迟时间trv：VDS上升时间tfi2：由PNP晶体管中存储电荷决定，此时MOSFET已关断，IGBT又无反向电压，体内存储电荷很难迅速消

8、除，因此下降时间较长，VDS较大，功耗较大。一般无缓冲区的，下降时间短。由MOSFET决定3．开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。①漏极电流的开通时间和上升时间：开通时间：ton=td(on)+tri上升时间：tr=