IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型功率管,是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 1500V 的高压变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT 本身有三个端口,其中 G\S 两端加压后,身为半导体的 IGBT 能够将内部的电子转移,让原本中性的半导体变为具备导电功能,转移的电子具有导电功能。而当电压被撤离之后,因加压后由电子形成的导电沟道则会消失,此时就有会变成绝缘体。

如果用简要的电路图做分析的话,那么如下图,当 IGBT 的栅极及发射极加上正电压,那么兼容 MOSFET 的 IIGBT 就会导通,当 IGBT 导通后,晶体管两极(集电极、基极)会形成低阻状态,此时晶体管可导通;当 IGBT 的两极无电压,则 MOSFET 就会停止导通,晶体管得不到电流供给则晶体管随之停止导通。

 

igbt 驱动电路图的工作原理


IGBT 并不是加入电压后即可正常工作,当加在 IGBT 上的电压过低,IGBT 不仅无法正常工作,还可能导致功能的不稳定。而如果电压高于两极之间的耐压值,IGBT 则会损坏且不可修复。

IGBT 的驱动原理与电力 MOSFET 基本相同,通断由栅射极电压 uGE 决定。导通 IGBT 硅片的结构与功率 MOSFET 的结构十分相似,主要差异是 IGBT 增加了 P+ 基片和一个 N+ 缓冲层(NPT- 非穿通 -IGBT 技术没有增加这个部分),其中一个 MOSFET 驱动两个双极器件。基片的应用在管体的 P+和 N+ 区之间创建了一个 J1 结。当正栅偏压使栅极下面反演 P 基区时,一个 N 沟道形成,同时出现一个电子流,并完全按照功率 MOSFET 的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在 0.7V 范围内,那么,J1 将处于正向偏压,一些空穴注入 N- 区内,并调整阴阳极之间的电阻率,这种方式降低了功率导通的总损耗,并启动了第二个电荷流。最后的结果是,在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑:一个电子流(MOSFET 电流);空穴电流(双极)。uGE 大于开启电压 UGE(th)时,MOSFET 内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT 导通。
导通压降电导调制效应使电阻 RN 减小,使通态压降小。关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时,沟道被禁止,没有空穴注入 N- 区内。在任何情况下,如果 MOSFET 电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是因为换向开始后,在 N 层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低,完全取决于关断时电荷的密度,而密度又与几种因素有关,如掺杂质的数量和拓扑,层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形,集电极电流引起以下问题:功耗升高;交叉导通问题,特别是在使用续流二极管的设备上,问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关,尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和 VCE 密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此,根据所达到的温度,降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的,尾流特性与 VCE、IC 和 TC 有关。

 

IGBT 的驱动原理


栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET 内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT 关断。反向阻断当集电极被施加一个反向电压时,J1 就会受到反向偏压控制,耗尽层则会向 N- 区扩展。因过多地降低这个层面的厚度,将无法取得一个有效的阻断能力,所以,这个机制十分重要。另一方面,如果过大地增加这个区域尺寸,就会连续地提高压降。正向阻断当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时,P/NJ3 结受反向电压控制。此时,仍然是由 N 漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。闩锁 IGBT 在集电极与发射极之间有一个寄生 PNPN 晶闸管。在特殊条件下,这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加,对等效 MOSFET 的控制能力降低,通常还会引起器件击穿问题。