IGBT的基本开关原理

发布日期：2020-06-01 00:00浏览次数：

IGBT的基本开关原理体现在单极型的MOS栅结构和双极型PNP晶体管的相互作用。
参照图1所示的基本结构和等效电路。

01
IGBT的导通
当IGBT处于正向偏置并阻断时，增加栅极-发射极电压大于MOS结构的开启电压时，MOS结构中至栅极下面的P区表面强反型层形成导电沟道时，IGBT即进入正向导通状态。此时电子可由发射极连接的N+区经沟道进入N区，相当于为PNP晶体管基极提供了电子流。同时，由于J1结处于正偏状态，P+区将向N区注入空穴，一部分与电子复合，一部分经过J2结电场作用进入IGBT的发射极（准确地说是PNP晶体管的集电极）。此时整个IGBT中有电流流通，IGBT导通。在N区内，电子和空穴积累，形成电导调制效应。

02
IGBT的通态
IGBT通态时流经的电流能力同时受到栅极电压和集电极-发射极正偏压影响，而物理机制则是受到单极型和双极型导电特性的影响。当IGBT的集电极-发射极正偏压升高时，集电极的正偏置的PN结注入空穴的密度也相应升高，直到超过N区中平衡时的多子浓度为止。按照这种工作方式，只要栅压足够高，能使向N区提供电子的导电沟道开得足够宽，则IGBT的通态电压-电流特性就与PIN二极管的通态特性没有多少差别。即便是额定阻断电压值很高的器件，其电流容量也能达到很高的水平，双极型器件的特性表现得就多。但是在栅压较低的情况下，由于反型层导电沟道的导电能力不够，电阻较大，外加电压将主要降落在这个区域中，则IGBT的电压-电流将如一般MOSFET那样显现饱和特征。表现为单极型导电行为也就多一些。这两种作用相互作用，就形成图2所示的输出特性。

图2 IGBT的输出特性
     图2给出了单极型MOS结构特性占主导的饱和区，以及晶体管特性占主导的有源区。IGBT中的电流进入饱和的特性不是纯粹的MOSFET中那样的电子流饱和特性（否则就只是MOSFET了），当电流增加和集电极-发射极间电压增加到一定程度时，晶体管部分承担了IGBT电流中的主要部分，使MOSFET部分电流不再继续进入饱和状态，所以IGBT中的电流饱和也称为次饱和。

03
IGBT的关断
     对于已经处于正向偏置并导通状态的IGBT，如果想令其转入关断状态，只需让栅压UGS<UT就行了，一种简单的方式是通过栅极与发射极短路来实现的。当UGS降至零时，MOS栅结构中的P区表面不再能维持反型状态，导电沟道消失，切断了发射极对N基区的电子供给，关断过程开始。由于IGBT导通时有P+区向N区注入少子空穴，这些少子在向J2结方同扩散的同时，在N区存储起一定容量的载流子，像任何一种双极型器件的正向导通过程那样，因而其关断过程也不能立即结束。这些少子需要一定的时间来通过复合和扫出而消失，也即集电极电流需要一定的时间逐渐衰减。

04
IGBT的寄生晶闸管的擎住效应
     上述分析IGBT通态和关断都是在寄生晶闸管不发生作用的情况下的结果。在实际应用中，IGBT的寄生晶闸管发生擎住作用，可分为两种：
静态擎住效应

       静态擎住效应发生于导通状态的IGBT中，其关键是IGBT中的等效NPN晶体管是否与PNP晶体发生正反馈。在等效电路中，在NPN晶体管的基极和发射极之间并联一个等效体区电阻。当电流流过该等效体区电阻而产生电压降时，对于NPN晶体管的基极来说，相当于加了一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正向偏置电压不够大，因此NPN晶体管不会导通。但是，当IGBT集电极电流增加到一定值时，这个正向偏置电压将使NPN晶体管导通，并与PNP晶体管相互激励，在这两个晶体管内部形成类似于晶闸管导通时的电流正反馈现象，两个晶体管的电流放大倍数α随着增加，当两者之和大于1时，则发生晶闸管擎住效应，即在IGBT的集电极和发射极之间存在了不依靠外加激励而存在的电流通路，使器件处于失控状态，这就称之为静态擎住效应。

动态擎住效应

       动态擎住效应发生于IGBT关断或者器件短路等暂态过程。在IGBT关断的过程中，不可避免地出现集电极-发射极间的端电压不断迅速上升，存在较高的du/dt而引起NPN晶体管基极输入较大的位移电流而导通，这是引发寄生晶闸管触发导通的一个原因。当MOS栅结构的沟道夹断非常快时，则J2结的空间电荷建立速度快，产生的位移电流大，容易触发寄生晶闸管导通。动态擎住效应主要由电压变化率决定，此外还受集电极电流、器件结温等因素影响。动态擎住效应所允许的集电极电流比静态擎住时的还要小。

05
IGBT的正向阻断
     当IGBT处于正向偏置时，即IGBT集电极接正电位，发射极接负电位。而栅极-发射极电压小于MOS结构的开启电压时，集电极的PN结正偏置，对阻断没有贡献，所以IGBT的正向阻断原理与VDMOSFET相似。由于MOS栅结构中没有沟道形成，无法为PNP晶体管的基极提供电流。整个IGBT可以看成是没有基极电流的PNP晶体管，处于阻断状态。如果考虑寄生晶闸管的作用，也可以看成是没有门极触发的晶闸管，此时需要避免其他条件来触发晶闸管。IGBT的正向阻断电压能力，主要是由J2结的雪崩击穿电压来决定的，IGBT正向偏置的情况如图3所示。这时只有非常小的漏电流，当正向电压超过阈值电压就会发生击穿。

06
IGBT的反向阻断
当IGBT反向偏置时，集电极的PN结反向偏置，J1结的存在使得IGBT有了承受反向电压的能力，这是与MOSFET不同的特性，MOSEET在反向偏置时，将会表现出正向偏置的二极管特性，不具有反向阻断的能力。但是，在IGBT中，设计者通常牺牲很大的反向阻断能力来换取低电导率和低关断损耗。因此，J1结的反向击穿电压较低，IGBT的反向阻断能力不高。IGBT反向偏置时的情况如图4所示。
在很多电压型电力电子变换器中，都在IGBT中加入独立的反并联二极管，以适应变换器换流的需要，形成的逆导型器件的图形符号如图5a所示；而在一些电流型电力电子变换器或者矩阵变换器中，需要IGBT具有好的反向阻断能力，则在IGBT中串联独立的二极管，形成图5b所示的逆阻型器件图形符号。

图5 逆导型和逆阻型IGBT图形符号

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