IGBT的基本结构,参数选择,使用注意

一、IGBT简介

IGBT中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内。

图1  理想等效电路与实际等效电路图

二、IGBT的基本结构

绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。

图2  N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构

图2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。 N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。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 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成 PNP 双极晶体管，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。

为了兼顾长期以来人们的习惯，IEC规定：源极引出的电极端子（含电极端）称为发射极端（子），漏极引出的电极端（子）称为集电极端（子）。这又回到双极晶体管的术语了。但仅此而已。

图3 IGBT结构剖面图

IGBT的结构剖面图如图3所示。它在结构上类似于MOSFET ，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET 的N+基板（漏极）上增加了一个P+ 基板（IGBT 的集电极），形成PN结J1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。

图4 IGBT的简化等效电路

图5 N沟道IGBT图形符号

图6 P沟道IGBT图形符号

由图3可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR ，其简化等效电路如图4所示。图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。

N沟道IGBT的图形符号有两种，如图5所示。实际应用时，常使用图5-5所示的符号。对于P沟道，图形符号中的箭头方向恰好相反，如图6所示。

IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P+区注到N-区进行电导调制，减少N-区的电阻Rdr值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。

正是由于IGBT是在N沟道MOSFET的N+基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNP－NPN晶体管构成IGBT。但是，NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使NPN不起作用。所以说，IGBT的基本工作与NPN晶体管无关，可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极，PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。

采取这样的结构可在N-层作电导率调制，提高电流密度。这是因为从P+基板经过N+层向高电阻的N-层注入少量载流子的结果。IGBT的设计是通过PNP－NPN晶体管的连接形成晶闸管。

二、IGBT模块的术语及其特性术语说明

1.IGBT模块的选定

在使用IGBT模块的场合，选择何种电压，电流规格的IGBT模块，需要做周密的考虑。

a.电流规格

IGBT模块的集电极电流增大时，VCE(-)上升，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，原件发热加剧。因此，根据额定损耗，开关损耗所产生的热量，控制器件结温（Tj）在150oC以下（通常为安全起见，以125oC以下为宜），请使用这时的集电流以下为宜。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热也加剧，需十分注意。

一般来说，要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用，从经济角度这是值得推荐的。

b.电压规格

IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即市电电源电压紧密相关。其相互关系列于表1。根据使用目的，并参考本表，请选择相应的元件。

IGBT的VGE的耐压值为±20V，在IGBT模块上加出了超出耐压值的电压的场合，由于会导致损坏的危险，因而在栅极-发射极之间不能超出耐压值的电压，这点请注意。

在使用装置的场合，当栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时（栅极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止这类损坏情况发生，应在栅极―发射极之间接一只10kΩ左右的电阻为宜。

此外，由于IGBT模块为MOS结构，对于静电就要十分注意。因此，请注意下面几点：

1)在使用模块时，手持分装件时，请勿触摸驱动端子部分。

2)在用导电材料连接驱动端子的模块时，在配线未布好之前，请先不要接上模块。

3)尽量在底板良好接地的情况下操作。

4)当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电放电后，再触摸。

5)在焊接作业时，焊机与焊槽之间的漏泄容易引起静电压的产生，为了防止静电的产生，必须将焊机处于良好的接地状态下。

6)装部件的容器，请采用防静电措施。

3.并联问题

在大容量逆变器等控制大电流的场合使用IGBT模块时，可以使用多个器件并联。

并联时，要使每个器件流过均等的电流是非常重要的，如果一旦电流平衡达到破坏，那么电流过于集中的那个器件将可能被损坏。为使并联时电流能平衡，适当改变器件的特性及接线方法。例如。挑选器件的VCE(sat)相同的并联是很重要的。

4.其他注意事项

1)保存半导体原件的场所的温湿度：应保持在常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为5－35℃，常湿的规定为45—75％左右。

2)开、关时的浪涌电压等的测定，请在端子处测定。