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。

　　定義

　　IGBT結構圖左邊所示為一個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。P+ 區稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區(包括P+ 和P 一區)(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。

　　IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 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一溝道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 一層的空穴(少子)，對N 一層進行電導調制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。

　　工作特性

　　靜態特性

　　IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。

　　IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似.也可分為飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態下的IGBT ，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+ 緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用范圍。

　　IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關系曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處于關斷狀態。在IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內， Id 與Ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

　　IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT 處于導通態時，由于它的PNP 晶體管為寬基區晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on) 可用下式表示

　　Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

　　式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為0.7 ～1V ;Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降;Roh ——溝道電阻。

　　通態電流Ids 可用下式表示：

　　Ids=(1+Bpnp)Imos

　　式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

　　由于N+ 區存在電導調制效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態時，只有很小的泄漏電流存在。

　　動態特性

　　IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間， tri 為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。

　　IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基于以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

　　IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間

　　t(off)=td(off)+trv十t(f)

　　式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。

　　IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

　　正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求;高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要采用1um以下制作工藝，研制開發取得一些新進展。

　　發展歷史

　　1979年，MOS柵功率開關器件作為IGBT概念的先驅即已被介紹到世間。這種器件表現為一個類晶閘管的結構(P-N-P-N四層組成)，其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。

　　80年代初期，用于功率MOSFET制造技術的DMOS(雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體)工藝被采用到IGBT中來。[2]在那個時候，硅芯片的結構是一種較厚的NPT(非穿通)型設計。后來，通過采用PT(穿通)型結構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延的技術進步，以及采用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩沖層而進展的[3]。幾年當中，這種在采用PT設計的外延片上制備的DMOS平面柵結構，其設計規則從5微米先進到3微米。

　　90年代中期，溝槽柵結構又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規模集成(LSI)工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝，但仍然是穿通(PT)型芯片結構。[4]在這種溝槽結構中，實現了在通態電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。

　　硅芯片的重直結構也得到了急劇的轉變，先是采用非穿通(NPT)結構，繼而變化成弱穿通(LPT)結構，這就使安全工作區(SOA)得到同表面柵結構演變類似的改善。

　　這次從穿通(PT)型技術先進到非穿通(NPT)型技術，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通(PT)技術會有比較高的載流子注入系數，而由于它要求對少數載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面，非穿通(NPT)技術則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入系數卻比較低。進而言之，非穿通(NPT)技術又被軟穿通(LPT)技術所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”(SPT)或“電場截止”(FS)型技術，這使得“成本—性能”的綜合效果得到進一步改善。

　　1996年，CSTBT(載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管)使第5代IGBT模塊得以實現[6]，它采用了弱穿通(LPT)芯片結構，又采用了更先進的寬元胞間距的設計。目前，包括一種“反向阻斷型”(逆阻型)功能或一種“反向導通型”(逆導型)功能的IGBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優化。

　　IGBT功率模塊采用IC驅動，各種驅動保護電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術，從復合功率模塊PIM發展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發展，其產品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調速外，600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導彈發射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統效率，現已開發成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發展熱點。

　　現在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,現在已制造出集成化的IGBT專用驅動電路.其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。

　　輸出特性與轉移特性

　　IGBT與MOSFET的對比MOSEFT全稱功率場效應晶體管。它的三個極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。主要優點：熱穩定性好、安全工作區大。缺點：擊穿電壓低，工作電流小。 IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相結合的產物。它的三個極分別是集電極(C)、發射極(E)和柵極(G)。特點：擊穿電壓可達1200V，集電極最大飽和電流已超過1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達250kVA以上，工作頻率可達20kHz。

　　模塊簡介

　　IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優點，既具有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的優點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優點，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內，在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用，在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。

　　若在IGBT的柵極和發射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通;若IGBT的柵極和發射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發射極間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。

　　等效電路

　　IGBT模塊的選擇

　　IGBT模塊的電壓規格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關。其相互關系見下表。使用中當IGBT模塊集電極電流增大時，所產生的額定損耗亦變大。同時，開關損耗增大，使原件發熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應大于負載電流。特別是用作高頻開關時，由于開關損耗增大，發熱加劇，選用時應該降等使用。

　　使用中的注意事項

　　由于IGBT模塊為MOSFET結構，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發射極實現電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達到20～30V。因此因靜電而導致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點：

　　在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅動端子部分，當必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后，再觸摸; 在用導電材料連接模塊驅動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊; 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應用中有時雖然保證了柵極驅動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯小電阻也可以抑制振蕩電壓。

　　此外，在柵極—發射極間開路時，若在集電極與發射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發熱及至損壞。

　　在使用IGBT的場合，當柵極回路不正常或柵極回路損壞時(柵極處于開路狀態)，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止此類故障，應在柵極與發射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。

　　在安裝或更換IGBT模塊時，應十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風扇，當散熱風扇損壞中散熱片散熱不良時將導致IGBT模塊發熱，而發生故障。因此對散熱風扇應定期進行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應器，當溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。

　　保管時的注意事項

　　一般保存IGBT模塊的場所，應保持常溫常濕狀態，不應偏離太大。常溫的規定為5～35℃ ，常濕的規定在45～75%左右。在冬天特別干燥的地區，需用加濕機加濕; 盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合; 在溫度發生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結露水的現象，因此IGBT模塊應放在溫度變化較小的地方; 保管時，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物; 裝IGBT模塊的容器，應選用不帶靜電的容器。

　　IGBT模塊由于具有多種優良的特性，使它得到了快速的發展和普及，已應用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時的注意事項對實際中的應用是十分必要的。