在IGBT得到大力發(fā)展之前，功率場效應管MOSFET被用于需要快速開關的中低壓場合，晶閘管、GTO被用于中高壓領域。MOSFET雖然有開關速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點;但是，在200V或更高電壓的場合，MOSFET的導通電阻隨著擊穿電壓的增加會迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在著不能得到高耐壓、大容量元件等缺陷。雙極晶體管具有優(yōu)異的低正向?qū)▔航堤匦?，雖然可以得到高耐壓、大容量的元件，但是它要求的驅(qū)動電流大，控制電路非常復雜，而且交換速度不夠快。
IGBT正是作為順應這種要求而開發(fā)的，它是由MOSFET(輸入級)和PNP晶體管(輸出級)復合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關速度快的特點(控制和響應)，又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(功率級較為耐用)，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(nèi)。基于這些優(yōu)異的特性，IGBT一直廣泛使用在超過300V電壓的應用中，模塊化的IGBT可以滿足更高的電流傳導要求，其應用領域不斷提高，今后將有更大的發(fā)展。
IGBT的結構與特性：
如圖1所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極(即發(fā)射極E)。N基極稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極(即門極G)。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)(包括P+和P-區(qū)，溝道在該區(qū)域形成)，稱為亞溝道區(qū)(Subchannel region)。而在漏區(qū)另一側的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極(即集電極C)。
圖1 N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構
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(qū)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(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。
IGBT是由MOSFET和GTR技術結合而成的復合型開關器件，是通過在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構成的，性能上也是結合了MOSFET和雙極型功率晶體管的優(yōu)點。N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極(即發(fā)射極E)；P+區(qū)稱為漏區(qū)，器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極(即門極G)。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)(包括P+和P-區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)稱為亞溝道區(qū)(Subchannel region)。而在漏區(qū)另一側的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)壓降。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極(即集電極C)。
圖2 IGBT的結構
IGBT是由一個N溝道的MOSFET和一個PNP型GTR組成，它實際是以GTR為主導元件，以MOSFET為驅(qū)動元件的復合管。IGBT除了內(nèi)含PNP晶體管結構，還有NPN晶體管結構，該NPN晶體管通過將其基極與發(fā)射極短接至MOSFET的源極金屬端使之關斷。IGBT的4層PNPN結構，內(nèi)含的PNP與NPN晶體管形成了一個可控硅的結構，有可能會造成IGBT的擎柱效應。IGBT與MOSFET不同，內(nèi)部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中(感性負載)需要搭配適當?shù)目旎謴投O管。
IGBT的理想等效電路及實際等效電路如下圖所示：
圖3 IGBT的理想等效電路及實際等效電路
由等效電路可將IGBT作為對PNP雙極晶體管和功率MOSFET進行達林頓連接后形成的單片型Bi-MOS晶體管。
因此，在門極-發(fā)射極之間外加正電壓使功率MOSFET導通時，PNP晶體管的基極-集電極就連接上了低電阻，從而使PNP晶體管處于導通狀態(tài)，由于通過在漏極上追加p+層，在導通狀態(tài)下，從p+層向n基極注入空穴，從而引發(fā)傳導性能的轉(zhuǎn)變。因此，它與功率MOSFET相比，可以得到極低的通態(tài)電阻。
此后，使門極-發(fā)射極之間的電壓為0V時，首先功率MOSFET處于斷路狀態(tài)，PNP晶體管的基極電流被切斷，從而處于斷路狀態(tài)。
如上所述，IGBT和功率MOSFET一樣，通過電壓信號可以控制開通和關斷動作。（英飛凌igbt廠家）
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