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IGBT工作原理,解析IGBT工作原理及作用

發(fā)布時(shí)間:2021-11-03

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一、IGBT是什么

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(chǎng)效應管)組成的復合全控型電壓驅動(dòng)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(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動(dòng)電流較大;MOSFET驅動(dòng)功率很小,開(kāi)關(guān)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(yōu)點(diǎn),驅動(dòng)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(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。通俗來(lái)講:IGBT是一種大功率的電力電子器件,是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān),IGBT沒(méi)有放大電壓的功能,導通時(shí)可以看做導線(xiàn),斷開(kāi)時(shí)當做開(kāi)路。三大特點(diǎn)就是高壓、大電流、高速。


二、IGBT模塊


IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫(xiě),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(yōu)點(diǎn),既具有MOSFET器件驅動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn),又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn),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(shù)中得到了越來(lái)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。IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知,若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅動(dòng)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(tài)而使得晶體管導通;若IGBT的柵極和發(fā)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(fā)射極間施加十幾V的直流電壓,只有在uA級的漏電流流過(guò),基本上不消耗功率。


1、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(guān)。其相互關(guān)系見(jiàn)下表。使用中當IGBT模塊集電極電流增大時(shí),所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí),開(kāi)關(guān)損耗增大,使原件發(fā)熱加劇,因此,選用IGBT模塊時(shí)額定電流應大于負載電流。特別是用作高頻開(kāi)關(guān)時(shí),由于開(kāi)關(guān)損耗增大,發(fā)熱加劇,選用時(shí)應該降等使用。


2、 使用中的注意事項

由于IGBT模塊為MOSFET結構,IGBT的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)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(jiàn)原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn):



在使用模塊時(shí),盡量不要用手觸摸驅動(dòng)端子部分,當必須要觸摸模塊端子時(shí),要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后,再觸摸;

在用導電材料連接模塊驅動(dòng)端子時(shí),在配線(xiàn)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(shí)雖然保證了柵極驅動(dòng)電壓沒(méi)有超過(guò)柵極最大額定電壓,但柵極連線(xiàn)的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合,也會(huì )產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此,通常采用雙絞線(xiàn)來(lái)傳送驅動(dòng)信號,以減少寄生電感。在柵極連線(xiàn)中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。

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

在使用IGBT的場(chǎng)合,當柵極回路不正?;驏艠O回路損壞時(shí)(柵極處于開(kāi)路狀態(tài)),若在主回路上加上電壓,則IGBT就會(huì )損壞,為防止此類(lèi)故障,應在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。在安裝或更換IGBT模塊時(shí),應十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)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(fēng)扇,當散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導致IGBT模塊發(fā)熱,而發(fā)生故障。因此對散熱風(fēng)扇應定期進(jìn)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(guò)高時(shí)將報警或停止IGBT模塊工作。


三、IGBT驅動(dòng)電路

IGBT驅動(dòng)電路的作用主要是將單片機脈沖輸出的功率進(jìn)行放大,以達到驅動(dòng)IGBT功率器件的目的。在保證IGBT器件可靠、穩定、安全工作的前提,驅動(dòng)電路起到至關(guān)重要的作用。


IGBT的等效電路及符合如圖1所示,IGBT由柵極正負電壓來(lái)控制。當加上正柵極電壓時(shí),管子導通;當加上負柵極電壓時(shí),管子關(guān)斷。



IGBT具有和雙極型電力晶體管類(lèi)似的伏安特性,隨著(zhù)控制電壓UGE的增加,特性曲線(xiàn)上移。開(kāi)關(guān)電源中的IGBT通過(guò)UGE電平的變化,使其在飽和與截止兩種狀態(tài)交替工作。

(1)提供適當的正反向電壓,使IGBT能可靠地開(kāi)通和關(guān)斷。當正偏壓增大時(shí)IGBT通態(tài)壓降和開(kāi)通損耗均下降,但若UGE過(guò)大,則負載短路時(shí)其IC隨UGE增大而增大,對其安全不利,使用中選UGEν15V為好。負偏電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而使IGBT誤導通,一般選UGE=-5V為宜。

(2)IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間應綜合考慮??焖匍_(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率,減小開(kāi)關(guān)損耗。但在大電感負載下,IGBT的開(kāi)頻率不宜過(guò)大,因為高速開(kāi)斷和關(guān)斷會(huì )產(chǎn)生很高的尖峰電壓,及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。

(3)IGBT開(kāi)通后,驅動(dòng)電路應提供足夠的電壓、電流幅值,使IGBT在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和而損壞。

(4)IGBT驅動(dòng)電路中的電阻RG對工作性能有較大的影響,RG較大,有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率,但會(huì )增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗;RG較小,會(huì )引起電流上升率增大,使IGBT誤導通或損壞。RG的具體數據與驅動(dòng)電路的結構及IGBT的容量有關(guān),一般在幾歐~幾十歐,小容量的IGBT其RG值較大。

(5)驅動(dòng)電路應具有較強的抗干擾能力及對IG2BT的保護功能。IGBT的控制、 驅動(dòng)及保護電路等應與其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配,另外,在未采取適當的防靜電措施情況下,G—E斷不能開(kāi)路。



四、IGBT的結構

IGBT是一個(gè)三端器件,它擁有柵極G、集電極c和發(fā)射極E。IGBT的結構、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號如圖所示。



如圖所示為N溝道VDMOSFFT與GTR組合的N溝道IGBT(N-IGBT)的內部結構斷面示意圖。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區,形成丁一個(gè)大面積的PN結J1。由于IGBT導通時(shí)由P+注入區向N基區發(fā)射少子,因而對漂移區電導率進(jìn)行調制,可仗IGBT具有很強的通流能力。介于P+注入區與N-漂移區之間的N+層稱(chēng)為緩沖區。有無(wú)緩沖區決定了IGBT具有不同特性。有N*緩沖區的IGBT稱(chēng)為非對稱(chēng)型IGBT,也稱(chēng)穿通型IGBT。它具有正向壓降小、犬斷時(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部電流小等優(yōu)點(diǎn),但其反向阻斷能力相對較弱。無(wú)N-緩沖區的IGBT稱(chēng)為對稱(chēng)型IGBT,也稱(chēng)非穿通型IGBT。它具有較強的正反向阻斷能力,但它的其他特性卻不及非對稱(chēng)型IGBT。


如圖2-42 (b)所示的簡(jiǎn)化等效電路表明,IGBT是由GTR與MOSFET組成的達林頓結構,該結構中的部分是MOSFET驅動(dòng),另一部分是厚基區PNP型晶體管。


五、IBGT的工作原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),IGBT相當于一個(gè)由MOSFET驅動(dòng)的厚基區PNP型晶體管,它的簡(jiǎn)化等效電路如圖2-42(b)所示,圖中的RN為PNP晶體管基區內的調制電阻。從該等效電路可以清楚地看出,IGBT是用晶體管和MOSFET組成的達林頓結構的復合器件。岡為圖中的晶體管為PNP型晶體管,MOSFET為N溝道場(chǎng)效應晶體管,所以這種結構的IGBT稱(chēng)為N溝道IIGBT,其符號為N-IGBT。類(lèi)似地還有P溝道IGBT,即P- IGBT。


IGBT的電氣圖形符號如圖2-42(c)所示。IGBT是—種場(chǎng)控器件,它的開(kāi)通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間電壓UGE決定,當柵射電壓UCE為正且大于開(kāi)啟電壓UCE(th)時(shí),MOSFET內形成溝道并為PNP型晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導通,此時(shí),從P+區注入N-的空穴(少數載流子)對N-區進(jìn)行電導調制,減小N-區的電阻RN,使高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當柵射極間不加信號或加反向電壓時(shí),MOSFET內的溝道消失,PNP型晶體管的基極電流被切斷,IGBT即關(guān)斷。由此可知,IGBT的驅動(dòng)原理與MOSFET基本相同。


①當UCE為負時(shí):J3結處于反偏狀態(tài),器件呈反向阻斷狀態(tài)。

②當uCE為正時(shí):UC< UTH,溝道不能形成,器件呈正向阻斷狀態(tài);UG>UTH,絕緣門(mén)極下形成N溝道,由于載流子的相互作用,在N-區產(chǎn)生電導調制,使器件正向導通。


1)導通


IGBT硅片的結構與功率MOSFET的結構十分相似,主要差異是JGBT增加了P+基片和一個(gè)N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒(méi)有增加這個(gè)部分),其中一個(gè)MOSFET驅動(dòng)兩個(gè)雙極器件(有兩個(gè)極性的器件)?;膽迷诠荏w的P、和N+區之間創(chuàng )建了一個(gè)J,結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時(shí),一個(gè)N溝道便形成,同時(shí)出現一個(gè)電子流,并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內,則J1將處于正向偏壓,一些空穴注入N-區內,并調整N-與N+之間的電阻率,這種方式降低了功率導通的總損耗,并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結果是在半導體層次內臨時(shí)出現兩種不同的電流拓撲:一個(gè)電子流(MOSFET電流);一個(gè)空穴電流(雙極)。當UCE大于開(kāi)啟電壓UCE(th),MOSFET內形成溝道,為晶體管提供基極電流,IGBT導通。

2)導通壓降電導調制效應使電阻RN減小,通態(tài)壓降小。所謂通態(tài)壓降,是指IGBT進(jìn)入導通狀態(tài)的管壓降UDS,這個(gè)電壓隨UCS上升而下降。


3)關(guān)斷

當在柵極施加一個(gè)負偏壓或柵壓低于門(mén)限值時(shí),溝道被禁止,沒(méi)有空穴注入N-區內。在任何情況下,如果MOSFET的電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降,集電極電流則逐漸降低,這是閡為換向開(kāi)始后,在N層內還存在少數的載流子(少于)。這種殘余電流值(尾流)的降低,完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度,而密度又與幾種因素有關(guān),如摻雜質(zhì)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。集電極電流將引起功耗升高、交叉導通問(wèn)題,特別是在使用續流二極管的設備上,問(wèn)題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關(guān),尾流的電流值應與芯片的Tc、IC:和uCE密切相關(guān),并且與空穴移動(dòng)性有密切的關(guān)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。當柵極和發(fā)射極間施加反壓或不加信號時(shí),MOSFET內的溝道消失,晶體管的基極電流被切斷,IGBT關(guān)斷。


4)反向阻斷

當集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí),J,就會(huì )受到反向偏壓控制,耗盡層則會(huì )向N-區擴展。因過(guò)多地降低這個(gè)層面的厚度,將無(wú)法取得一個(gè)有效的阻斷能力,所以這個(gè)機制十分重要。另外,如果過(guò)大地增加這個(gè)區域的尺寸,就會(huì )連續地提高壓降。


5)正向阻斷

當柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí),J,結受反向電壓控制。此時(shí),仍然是由N漂移區巾的耗盡層承受外部施加的電壓。


6)閂鎖

ICBT在集電極與發(fā)射極之間有—個(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下,這種寄生器件會(huì )導通。這種現象會(huì )使集電極與發(fā)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(huì )引起器件擊穿問(wèn)題。晶閘管導通現象被稱(chēng)為IGBT閂鎖。具體來(lái)說(shuō),產(chǎn)生這種缺陷的原因各不相同,但與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。


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