igbt簡介

　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

　　IGBT模塊

　　IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品；封裝后的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上。

　　IGBT模塊特點

　　IGBT模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節能環保等理念的推進，此類產品在市場上將越來越多見。

　　IGBT結構

　　上圖所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， N+區稱為源區，附于其上的電極稱為源極（即發射極E）。N基極稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區邊界形成。在C、E兩極之間的P型區（包括P+和P-區）（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（Subchannel region）。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區（Drain injector），它是IGBT特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極（即集電極C）。

　　IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP（原來為NPN）晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對N-層進行電導調制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態電壓。

　　IGBT原理

　　方法

　　IGBT是將強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由于實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）數值高的特征，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS（on）特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低VCE（sat）的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅動器的原理圖。

　　導通

　　IGBT硅片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分）。如等效電路圖所示（圖1），其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件?；膽迷诠荏w的P+和 N+ 區之間創建了一個J1結。 當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，并完全按照功率 MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0.7V范圍內，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區內，并調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流（MOSFET 電流）； 一個空穴電流（雙極）。

　　關斷

　　當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內還存在少數的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。

　　鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關系。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。

　　阻斷與閂鎖

　　當集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區域尺寸，就會連續地提高壓降。 第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的壓降高的原因。

　　當柵極和發射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/N J3結受反向電壓控制，此時，仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。

　　IGBT在集電極與發射極之間有一個寄生PNPN晶閘管（如圖1所示）。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極與發射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態有密切關系。通常情況下，靜態和動態閂鎖有如下主要區別：

　　當晶閘管全部導通時，靜態閂鎖出現，只在關斷時才會出現動態閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結溫的關系也非常密切；在結溫和增益提高的情況下，P基區的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。

　　IGBT模塊五種不同的內部結構和電路圖

　　1.單管模塊，1 in 1模塊

　　單管模塊的內部由若干個IGBT并聯，以達到所需要的電流規格，可以視為大電流規格的IGBT單管。受機械強度和熱阻的限制，IGBT的管芯面積不能做得太大，大電流規格的IGBT需要將多個管芯裝配到一塊金屬基板上。單管模塊外部標簽上的等效電路如圖1所示，副發射極（第二發射極）連接到柵極驅動電路，主發射極連接到主電路中。

　　圖1 單管，模塊的內部等效電路

　　多個管芯并聯時，柵極已經加入柵極電阻，實際的等效電路如圖2所示。不同制造商的模塊，柵極電阻的阻值也不相同；不過，同一個模塊內部的柵極電阻，其阻值是相同的。

　　圖2 單管模塊內部的實際等效電路圖

　　IGBT單管模塊通常稱為1 in 1模塊，前面的“1”表示內部包含一個IGBT管芯，后面的“1”表示同一個模塊塑殼之中。

　　2.半橋模塊，2 in 1模塊

　　半橋（Half bridge）模塊也稱為2 in 1模塊，可直接構成半橋電路，也可以用2個半橋模塊構成全橋，3個半橋模塊也構成三相橋。因此，半橋模塊有時候也稱為橋臂（Phase-Leg）模塊。

　　圖3是半橋模塊的內部等效。不同的制造商的接線端子名稱也有所不同，如C2E1可能會標識為E1C2，有的模塊只在等效電路圖上標識引腳編號等。

　　圖3 半橋模塊的內部等效電路

　　半橋模塊的電流/電壓規格指的均是其中的每一個模塊單元。如1200V/400A的半橋模塊，表示其中的2個IGBT管芯的電流/電壓規格都是1200V/400A，即C1和E2之間可以耐受最高2400V的瞬間直流電壓。

　　不僅半橋模塊，所有模塊均是如此標注的。

　　3.全橋模塊，4 in 1模塊

　　全橋模塊的內部等效電路如圖4所示。

　　圖4 全橋模塊內部等效電路

　　全橋（Full bridge）模塊也稱為4 in 1模塊，用于直接構成全橋電路；也可以用模塊中的2個半橋電路并聯構成電流規格大2倍的半橋模塊，即將分別將G1和G3、G2和G4、E1和E3、E2和E4、E1C2和E3短接。

　　4.三相橋模塊，6 in 1模塊

　　三相橋（3-Phase bridge模塊的內部等效電流如圖5所示。

　　圖5 三相橋模塊的內部等效電路

　　三相橋模塊也稱為6 in 1模塊，用于直接構成三相橋電路，也可以將模塊中的3個半橋電路并聯構成電流規格大3倍的半橋模塊。三相橋常用的領域是變頻器和三相UPS、三相逆變器，不同的應用對IGBT的要求有所不同，故制造商習慣上會推出以實際應用為產品名稱的三相橋模塊，如3-Phase inverter module（三相逆變器模塊）等。

　　5.PIM模塊，CBI模塊，7 in 1模塊

　　歐美廠商一般將包含圖6所示的7 in 1模塊稱為CBI模塊（Converter-Brake-Inverter Module，整流-剎車-逆變）模塊，日系廠商則習慣稱其為PIM模塊。

　　圖6 7 in 1模塊內部的等效電路

　　制造商一般都會分別給出模塊中個功能單元的參數，表1 是IXYS的MUBW 15-12 T7模塊的主要技術規格。

　　表1 MUBW 15-12 T7的主要技術規格

　　三相整流橋斷路器三相逆變器NTC

　　VRRM=1600VVCES=1200VVCES=1200VR25=5.0kΩ

　　IFAVM=38AIC25=30AIC25=30AB25/50=3375K

　　IFSM=300AVCE（sat）=1.7VVCE（sat）=1.7V

　　其中，斷路器和三相逆變器給出的都是IGBT管芯的技術規格，具體含義參見第3章相關內容；三相整流橋的參數含義如下。

　　·VRRM：最大反向峰值電壓，峰值，其中一個二極管的電壓規格最大值。

　　·IFAVM：最大正向平均電流，最大整流電流，與結溫或環境溫度有關。

　　·IFSM：最大正向浪涌電流，最大正向峰值電流，與結溫或環境溫度有關。

　　NTC的技術參數含義如下。

　　· R25：額定零功率電阻值，NTC的冷態電阻值，電阻本體溫度為25℃時的電阻值，典型值。R25就是NTC熱敏電阻的標稱電阻值。通常所說“NTC多少阻值”指的就是R25。

　　· B25/50：熱敏常數，NTC 電阻材料的電阻—溫度特性，25/50 表示電阻本體的溫度分別為25℃和50℃。根據 R25和B25/50；。可以計算出R50，計算公式如下：