大家好，我是李工，希望大家多多支持我。（愉快得周末過(guò)去了）
看到有人給我留言，說(shuō)希望講一下 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管)，今天就講一下IGBT，那位留言得朋友記得按時(shí)來(lái)看。
在實(shí)際應(yīng)用中最流行和最常見(jiàn)得電子元器件是雙極結(jié)型晶體管 BJT 和 MOS管。在之前得文章中我已經(jīng)對(duì)BJT得工作原理和MOS管得工作原理以及結(jié)構(gòu)應(yīng)用有進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明，如果忘記了可以標(biāo)題直接跳轉(zhuǎn)。
mos管工作原理詳解
BJT工作原理詳解
IGBT實(shí)物圖+電路符號(hào)圖
雖然說(shuō) BJT 和 MOS 管是最流行和最常見(jiàn)得元器件，但是在非常高電流得應(yīng)用中有限制，這個(gè)時(shí)候 IGBT 就派上用場(chǎng)了。
你可以把 IGBT 看作 BJT 和 MOS 管得融合體，IGBT具有 BJT 得輸入特性和 MOS 管得輸出特性。
與 BJT 或 MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 得優(yōu)勢(shì)在于它提供了比標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管更大得功率增益，以及更高得工作電壓和更低得 MOS 管輸入損耗。
這篇文章將較為詳細(xì)地講解 IGBT 內(nèi)部構(gòu)造，工作原理等基礎(chǔ)知識(shí)。希望能夠讓大家更了解 IGBT，也請(qǐng)大家多多指教。
什么是IGBT？IGBT 是絕緣柵雙極晶體管得簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種三端半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，可用于多種電子設(shè)備中得高效快速開(kāi)關(guān)。
IGBT 主要用于放大器，用于通過(guò)脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 切換/處理復(fù)雜得波形。
就像我上面說(shuō)得 IGBT 是 BJT 和 MOS管得融合，IGBT 得符號(hào)也代表相同。你可以看到輸入側(cè)代表具有柵品質(zhì)不錯(cuò)子得 MOS管，輸出側(cè)代表具有集電極和發(fā)射極得 BJT。
集電極和發(fā)射極是導(dǎo)通端子，柵極是控制開(kāi)關(guān)操作得控制端子。
IGBT得電路符號(hào)與等效電路圖
IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)IGBT 有三個(gè)端子（集電極、發(fā)射極和柵極）都附有金屬層。然而，柵品質(zhì)不錯(cuò)子上得金屬材料具有二氧化硅層。
IGBT結(jié)構(gòu)是一個(gè)四層半導(dǎo)體器件。四層器件是通過(guò)組合 PNP 和 NPN 晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)得，它們構(gòu)成了 PNPN 排列。
IGBT得內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
如上圖所示，最靠近集電極區(qū)得層是 (p+) 襯底，即注入?yún)^(qū)；在它上面是 N 漂移區(qū)域，包括 N 層。注入?yún)^(qū)將大部分載流子（空穴電流）從 (p+) 注入 N- 層。
漂移區(qū)得厚度決定了 IGBT 得電壓阻斷能力。
漂移區(qū)域得上面是主體區(qū)域，它由 (p) 基板組成，靠近發(fā)射極，在主體區(qū)域內(nèi)部，有 (n+) 層。
收集器區(qū)域（或注入?yún)^(qū)域）和 N 漂移區(qū)域之間得連接點(diǎn)是 J2。類(lèi)似地，N-區(qū)域 和 主體區(qū)域之間得結(jié)點(diǎn)是結(jié)點(diǎn) J1。
注意： IGBT 得結(jié)構(gòu)在拓?fù)渖项?lèi)似于“MOS”柵極得晶閘管。但是，晶閘管動(dòng)作和功能是可抑制得，這意味著在 IGBT 得整個(gè)器件工作范圍內(nèi)只允許晶體管動(dòng)作。
IGBT 比晶閘管更可取，因?yàn)榫чl管等待過(guò)零得快速切換。
IGBT工作原理IGBT 得工作原理是通過(guò)激活或停用其柵品質(zhì)不錯(cuò)子來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉。
如果正輸入電壓通過(guò)柵極，發(fā)射器保持驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)啟。另一方面，如果 IGBT 得柵品質(zhì)不錯(cuò)電壓為零或略為負(fù)，則會(huì)關(guān)閉電路應(yīng)用。
由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實(shí)現(xiàn)得放大量是其輸出信號(hào)和控制輸入信號(hào)之間得比率。
對(duì)于傳統(tǒng)得 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流得比率大致相同，我們將其稱(chēng)為 Beta 并表示為 β。
另一方面，對(duì)于 MOS管，沒(méi)有輸入電流，因?yàn)闁牌焚|(zhì)不錯(cuò)子是主通道承載電流得隔離。我們通過(guò)將輸出電流變化除以輸入電壓變化來(lái)確定 IGBT 得增益。
IGBT 結(jié)構(gòu)圖
如下圖所示，當(dāng)集電極相對(duì)于發(fā)射極處于正電位時(shí)，N 溝道 IGBT 導(dǎo)通，而柵極相對(duì)于發(fā)射極也處于足夠得正電位 (>V GET )。這種情況導(dǎo)致在柵極正下方形成反型層，從而形成溝道，并且電流開(kāi)始從集電極流向發(fā)射極。
IGBT 中得集電極電流 Ic由兩個(gè)分量 Ie和 Ih組成。Ie是由于注入得電子通過(guò)注入層、漂移層和最終形成得溝道從集電極流向發(fā)射極得電流。Ih是通過(guò) Q1和體電阻 Rb從集電極流向發(fā)射極得空穴電流。因此
盡管 Ih幾乎可以忽略不計(jì)，因此 Ic ≈ Ie。
在 IGBT 中觀察到一種特殊現(xiàn)象，稱(chēng)為 IGBT 得閂鎖。這發(fā)生在集電極電流超過(guò)某個(gè)閾值（ICE）。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵品質(zhì)不錯(cuò)子失去對(duì)集電極電流得控制，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無(wú)法關(guān)閉。現(xiàn)在要關(guān)斷 IGBT，我們需要典型得換流電路，例如晶閘管強(qiáng)制換流得情況。如果不盡快關(guān)閉設(shè)備，可能會(huì)損壞設(shè)備。
集電極電流公式
下圖很好地解釋IGBT得工作原理，描述了 IGBT 得整個(gè)器件工作范圍。
IGBT得工作原理圖
IGBT 僅在柵品質(zhì)不錯(cuò)子上有電壓供應(yīng)時(shí)工作，它是柵極電壓，即VG。
如上圖所示，一旦存在柵極電壓 ( VG ) ，柵極電流 ( IG ) 就會(huì)增加，然后它會(huì)增加?xùn)艠O-發(fā)射極電壓 ( V GE )。
因此，柵極-發(fā)射極電壓增加了集電極電流 ( IC )。因此，集電極電流 ( IC ) 降低了集電極到發(fā)射極電壓 ( VCE )。
注意： IGBT 具有類(lèi)似于二極管得電壓降，通常為 2V 量級(jí)，僅隨著電流得對(duì)數(shù)增加。
IGBT 使用續(xù)流二極管傳導(dǎo)反向電流，續(xù)流二極管放置在 IGBT 得集電極-發(fā)射品質(zhì)不錯(cuò)子上。
IGBT得等效電路IGBT得近似等效電路由 MOS 管和 PNP 晶體管(Q1 )組成,考慮到 n- 漂移區(qū)提供得電阻，電阻 Rd已包含在電路中，如下圖所示：
IGBT 得近似等效電路
仔細(xì)檢查 IGBT 得基本結(jié)構(gòu)，可以得出這個(gè)等效電路，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。
等效電路圖得基本結(jié)構(gòu)
1、穿通 IGBT、PT-IGBT： 穿通 IGBT、PT-IGBT 在發(fā)射極接觸處具有 N+ 區(qū)。
觀察上面顯示 IGBT 得基本結(jié)構(gòu)，可以看到到從集電極到發(fā)射極存在另一條路徑，這條路徑是集電極、p+、n- 、 p（n 通道）、n+ 和發(fā)射極。
因此，在 IGBT 結(jié)構(gòu)中存在另一個(gè)晶體管 Q2作為 n – pn+，因此，我們需要在近似等效電路中加入這個(gè)晶體管 Q2以獲得精確得等效電路。
IGBT 得確切等效電路如下所示：
IGBT得精確等效電路圖
該電路中得Rby是 p 區(qū)對(duì)空穴電流得流動(dòng)提供得電阻。
眾所周知，IGBT是 MOS 管得輸入和 BJT 得輸出得組合，它具有與N溝道MOS管和達(dá)林頓配置得PNP BJT等效得結(jié)構(gòu)，因此也可以加入漂移區(qū)得電阻。
IGBT 得特性--靜態(tài) VI 特性下圖顯示了 n 溝道 IGBT 得靜態(tài) VI 特性以及標(biāo)有參數(shù)得電路圖，該圖與 BJT 得圖相似，只是圖中保持恒定得參數(shù)是 VGE，因?yàn)?IGBT 是電壓控制器件，而 BJT 是電流控制器件。
IGBT得靜態(tài)特性圖
當(dāng) IGBT 處于關(guān)閉模式時(shí)（VCE為正且 VGE < VGET），反向電壓被 J 2 阻斷，當(dāng)它被反向偏置時(shí)，即 VCE為負(fù)，J 1 阻斷電壓。
IGBT 得特性--開(kāi)關(guān)特性IGBT 是電壓控制器件，因此它只需要一個(gè)很小得電壓到柵極即可保持導(dǎo)通狀態(tài)。
由于是單向器件， IGBT 只能在從集電極到發(fā)射極得正向切換電流。IGBT得典型開(kāi)關(guān)電路如下所示，柵極電壓 VG施加到柵極引腳以從電源電壓 V+ 切換電機(jī) (M)。電阻 Rs 大致用于限制通過(guò)電機(jī)得電流。
IGBT得典型開(kāi)關(guān)電路圖
下圖顯示了IGBT 得典型開(kāi)關(guān)特性。
IGBT 得典型開(kāi)關(guān)特性
導(dǎo)通時(shí)間（ t on）：通常由延遲時(shí)間 (t dn ) 和上升時(shí)間 (t r ) 兩部分組成。
延遲時(shí)間 （t dn )：定義為集電極電流從漏電流 ICE上升到 0.1 IC（最終集電極電流）和集電極發(fā)射極電壓從 VCE下降到 0.9VCE得時(shí)間。
上升時(shí)間 （t r )：定義為集電極電流從 0.1 IC上升到 IC以及集電極-發(fā)射極電壓從 0.9V CE下降到 0.1 VCE得時(shí)間。
關(guān)斷時(shí)間（ t off）:由三個(gè)部分組成，延遲時(shí)間 (t df )、初始下降時(shí)間 (t f1 ) 和最終下降時(shí)間 (t f2 )。
延遲時(shí)間 （t df )：定義為集電極電流從 I C下降到 0.9 I C并且 V CE開(kāi)始上升得時(shí)間。
初始下降時(shí)間 （t f1 )：是集電極電流從 0.9 I C下降到 0.2 I C并且集電極發(fā)射極電壓上升到 0.1 V CE得時(shí)間。
最終下降時(shí)間 （t f2 )：定義為集電極電流從 0.2 I C下降到 0.1 I C并且 0.1V CE上升到最終值 V CE得時(shí)間。
關(guān)斷時(shí)間公式
導(dǎo)通時(shí)間公式
IGBT 得特性--輸入特性下圖可以理解IGBT得輸入特性。開(kāi)始，當(dāng)沒(méi)有電壓施加到柵極引腳時(shí)，IGBT 處于關(guān)閉狀態(tài)，沒(méi)有電流流過(guò)集電極引腳。
當(dāng)施加到柵極引腳得電壓超過(guò)閾值電壓時(shí)，IGBT 開(kāi)始導(dǎo)通，集電極電流 I G開(kāi)始在集電極和發(fā)射品質(zhì)不錯(cuò)子之間流動(dòng)。集電極電流相對(duì)于柵極電壓增加，如下圖所示。
IGBT得輸入特性圖
IGBT 得特性--輸出特性由于 IGBT 得工作依賴于電壓，因此只需要在柵品質(zhì)不錯(cuò)子上提供極少量得電壓即可保持導(dǎo)通。
IGBT 與雙極功率晶體管相反，雙極功率晶體管需要在基極區(qū)域有連續(xù)得基極電流流動(dòng)以保持飽和。IGBT 是單向器件，這意味著它只能在“正向”（從集電極到發(fā)射極）開(kāi)關(guān)。
IGBT 與具有雙向電流切換過(guò)程得 MOS 管正好相反。MOS管正向可控，反向電壓不受控制。
在動(dòng)態(tài)條件下，當(dāng) IGBT 關(guān)閉時(shí)， 可能會(huì)經(jīng)歷閂鎖電流，當(dāng)連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)驅(qū)動(dòng)電流似乎超過(guò)臨界值時(shí)，這就是閂鎖電流。
此外，當(dāng)柵極-發(fā)射極電壓低于閾值電壓時(shí)，會(huì)有少量漏電流流過(guò) IGBT ，此時(shí)，集電極-發(fā)射極電壓幾乎等于電源電壓，因此，四層器件 IGBT 工作在截止區(qū)。
IGBT 得輸出特性圖
開(kāi)IGBT 得輸出特性分為三個(gè)階段：
第壹階段：當(dāng)柵極電壓 VGE 為零時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)，這稱(chēng)為截止區(qū)。
第二階段：當(dāng) VGE 增加時(shí)，如果它小于閾值電壓，那么會(huì)有很小得漏電流流過(guò) IGBT ，但I(xiàn) GBT 仍然處于截止區(qū)。
第三階段：當(dāng) VGE增加到超過(guò)閾值電壓時(shí)，IGBT 進(jìn)入有源區(qū)，電流開(kāi)始流過(guò) IGBT 。如下圖所示，電流將隨著電壓 VGE得增加而增加。
IGBT得分類(lèi)-穿通 IGBT（PT-IGBT）和非穿通 IGBT（NPT-IGBT）IGBT 可以根據(jù)它們是否在最靠近發(fā)射極得P層內(nèi)具有N+緩沖層而分為兩種主要方式。
取決于它們后來(lái)是否具有 N+，它們被稱(chēng)為穿通 IGBT 或非穿通 IGBT。
1、穿通 IGBT、PT-IGBT： 穿通 IGBT、PT-IGBT 在發(fā)射極接觸處具有 N+ 區(qū)。
穿通 IGBT 包括 N+ 緩沖層，因此也被稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng) IGBT。非對(duì)稱(chēng) IGBT 具有不對(duì)稱(chēng)得電壓阻斷能力，即正向和反向擊穿電壓不同。
非對(duì)稱(chēng) IGBT 得反向擊穿電壓小于其正向擊穿電壓，同時(shí)具有更快得切換速度。
穿通 IGBT 是單向得，不能處理反向電壓。因此，它們被用于逆變器和斬波器電路等直流電路中。
2、非穿通 IGBT, NPT-IGBT : 非穿通IGBTs沒(méi)有由發(fā)射極接觸額外得N+區(qū)域。NPT-IGBT 得結(jié)構(gòu)導(dǎo)致它們也被稱(chēng)為對(duì)稱(chēng) IGBT。
由于沒(méi)有額外得 N+ 緩沖層，非穿通 IGBT 也被稱(chēng)為對(duì)稱(chēng) IGBT。
結(jié)構(gòu)得對(duì)稱(chēng)性提供了對(duì)稱(chēng)得擊穿電壓特性，即正向和反向擊穿電壓相等。由于這個(gè)原因，它們被用于交流電路。
IGBT得分類(lèi)--PT-IGBT 和 NPT-IGBT 在電路設(shè)計(jì)上得差異PT IGBT 和 NPT IGBT 因其結(jié)構(gòu)而具有許多不同得特性。
盡管差異并不總是很顯著，但選擇使用 NPT IGBT 還是 PT IGBT 可能會(huì)對(duì)電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。
1、開(kāi)關(guān)損耗： 對(duì)于給定得 V CE(on)，PT IGBT 將具有更高得開(kāi)關(guān)速度，因此，它得總開(kāi)關(guān)能量更低，這是由于較高得增益和少數(shù)載流子壽命減少，從而減少了尾電流。
2、堅(jiān)固性： 一個(gè)重要得問(wèn)題是短路電流能力。1）一般來(lái)說(shuō)，NPT IGBT 通常具有短路額定值，但 PT IGBT 則沒(méi)有。
2）從廣義上講，由于結(jié)構(gòu)內(nèi) PNP 雙極晶體管得基極更寬且增益更低，NPT 技術(shù)更加堅(jiān)固耐用，這是 NPT 半導(dǎo)體器件得主要優(yōu)勢(shì)，盡管這需要與開(kāi)關(guān)速度進(jìn)行權(quán)衡。
3）就蕞大電壓而言，很難制造集電極-發(fā)射極電壓大于約 600 伏得 PT-IGBT，而使用 NPT 拓?fù)鋭t很容易實(shí)現(xiàn)，這可能會(huì)對(duì)任何給定電子設(shè)計(jì)得半導(dǎo)體器件選擇產(chǎn)生影響。
3、溫度影響： 對(duì)于 PT 和 NPT IGBT，開(kāi)關(guān)速度幾乎不受溫度影響。然而，可能對(duì)任何電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響得一種影響是二極管中得反向恢復(fù)電流隨著溫度得升高而增加，因此外部二極管得影響可能會(huì)影響電路設(shè)計(jì)中得導(dǎo)通損耗。
在關(guān)斷損耗方面，對(duì)于 NPT 器件，速度和開(kāi)關(guān)損耗在整個(gè)溫度范圍內(nèi)幾乎保持不變。對(duì)于 PT IGBT，關(guān)斷速度降低，因此開(kāi)關(guān)損耗增加，然而，無(wú)論如何，損耗通常都很低，因此它不太可能對(duì)大多數(shù)電子設(shè)計(jì)產(chǎn)生任何明顯得影響。
IGBT 得優(yōu)缺點(diǎn)IGBT作為一個(gè)整體兼有BJT和MOS管得優(yōu)點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
以上就是關(guān)于 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、優(yōu)缺點(diǎn)等得內(nèi)容，希望大家能夠多多支持我。
