了解這些就可以搞懂 IGBT

作者： Barley Li，來(lái)源： 得捷電子DigiKey微信公眾號(hào)

絕緣柵雙極晶體管（IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor）是一種三端功率半導(dǎo)體器件，主要用作電子開(kāi)關(guān)，在較新的器件中以結(jié)合高效和快速開(kāi)關(guān)而聞名。IGBT通過(guò)在單個(gè)器件中組合用于控制輸入的隔離柵極FET和作為開(kāi)關(guān)的雙極功率晶體管，將MOSFET的簡(jiǎn)單柵極驅(qū)動(dòng)特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結(jié)合。IGBT用于中到大功率應(yīng)用，如開(kāi)關(guān)電源、牽引電機(jī)控制和感應(yīng)加熱。

圖1. IGBT 電路圖符號(hào)

1. IGBT特點(diǎn)

IGBT具有柵極、集電極、發(fā)射極3個(gè)引腳。柵極與MOSFET相同，集電極和發(fā)射極與雙極晶體管相同。IGBT與MOSFET一樣通過(guò)電壓控制端口，在N溝道型的情況下，對(duì)于發(fā)射極而言，在柵極施加正電壓時(shí)，集電極-發(fā)射極導(dǎo)通，流過(guò)集電極電流。我們將另行介紹其工作和驅(qū)動(dòng)方法。

IGBT是結(jié)合了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點(diǎn)的晶體管。MOSFET由于柵極是隔離的，因此具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度較快的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是在高電壓時(shí)導(dǎo)通電阻較高。雙極晶體管即使在高電壓條件下導(dǎo)通電阻也很低，但存在輸入阻抗低和開(kāi)關(guān)速度慢的缺點(diǎn)。通過(guò)彌補(bǔ)這兩種器件各自的缺點(diǎn)，IGBT成為一種具有高輸入阻抗、開(kāi)關(guān)速度快 (IGBT開(kāi)關(guān)速度比MOSFET慢，但仍比雙極晶體管快。) ，即使在高電壓條件下也能實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻的晶體管。

2. IGBT 的工作原理

當(dāng)向發(fā)射極施加正的集電極電壓VCE，同時(shí)向發(fā)射極施加正的柵極電壓VGE時(shí)，IGBT便能導(dǎo)通，集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，集電極電流IC流過(guò)。

圖2. IGBT近似的等效電路

IGBT的等效電路如上圖所示。當(dāng)柵極-發(fā)射極（G-E）和集電極-發(fā)射極（C-E）通路均發(fā)生正偏置時(shí)，N溝道MOSFET導(dǎo)通，導(dǎo)致漏極電流流動(dòng)。該漏極電流也流向QPNP的基極并導(dǎo)致IGBT導(dǎo)通。由于QPNP的直流電流增益（α）非常小，因此幾乎整個(gè)發(fā)射極電流（IE(pnp)）都作為基極電流（IB(pnp)）流動(dòng)。但部分IE(pnp)會(huì)作為集電極電流（IC(pnp)）流動(dòng)。IC(pnp)無(wú)法開(kāi)啟QNPN，因?yàn)樗@過(guò)了QNPN基極和發(fā)射極之間插入的RBE。

因此，IGBT的幾乎所有集電極電流都通過(guò)QPNP的發(fā)射極-基極通路作為N溝道MOSFET的漏極電流流動(dòng)。此時(shí)，空穴從QPNP的發(fā)射極注入到N通道MOSFET的高電阻漂移層。這導(dǎo)致漂移層的電阻率（Rd(MOS））大大降低，從而降低了導(dǎo)通期間的導(dǎo)通電阻。這種現(xiàn)象稱(chēng)為電導(dǎo)率調(diào)制。

關(guān)閉柵極（G）信號(hào)會(huì)導(dǎo)致N溝道MOSFET關(guān)斷，從而導(dǎo)致IGBT關(guān)斷。

3. 安全工作區(qū)

在IGBT的規(guī)格書(shū)中，可能會(huì)看到安全工作區(qū)（SOA, Safe Operating Area），例如ROHM的 RGS30TSX2DHR 如下圖所示。這個(gè)安全工作區(qū)是指什么？

圖3. Rohm的RGS30TSX2DHR 安全工作區(qū) （圖片來(lái)源ROHM）

IGBT 的安全工作區(qū)（SOA）是使IGBT在不發(fā)生自損壞或性能沒(méi)有下降的情況下的工作電流和電壓條件。實(shí)際上，不僅需要在安全工作區(qū)內(nèi)使用IGBT，還需對(duì)其所在區(qū)域?qū)嵤囟冉殿~。安全工作區(qū)分為正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA, Forward Bias Safe Operating Area）和反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA, Reverse Bias Safe Operating Area）。

3.1 正向偏置安全工作區(qū)

正向偏置安全工作區(qū)定義了IGBT導(dǎo)通期間的可用電流和電壓條件。

圖4. RGS30TSX2DHR 的正向偏置安全工作區(qū) （圖片來(lái)源ROHM）

上圖是RGS30TSX2DHR 的正向偏置安全工作區(qū)，可以根據(jù)具體情況分為4個(gè)領(lǐng)域，如下所述:

受集電極最大額定電流限制的區(qū)域

受集電極耗散限制的區(qū)域

受二次擊穿限制的區(qū)域 (該區(qū)域會(huì)因器件設(shè)計(jì)而有所不同)

受集電極-發(fā)射極最大額定電壓限制的區(qū)域

3.2 反向偏置安全工作區(qū)

反向偏置安全工作區(qū)定義了IGBT關(guān)斷期間的可用電流和電壓條件。

圖5. RGS30TSX2DHR 的反向偏置安全工作區(qū) （圖片來(lái)源ROHM）

上圖是RGS30TSX2DHR 的反向偏置SOA可以簡(jiǎn)單分為2個(gè)有限區(qū)域，如下所述:

受集電極最大額定電流值限制的區(qū)域

受集電極-發(fā)射極最大額定電壓限制的區(qū)域。

請(qǐng)注意，當(dāng)設(shè)計(jì)的 VCE－IC工作軌跡偏離產(chǎn)品本身安全工作區(qū)時(shí)，產(chǎn)品可能會(huì)發(fā)生出現(xiàn)意外故障。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，在確定與擊穿容限相關(guān)的具體特性和電路常數(shù)時(shí)，必須密切注意耗散和其他性能問(wèn)題。例如，反向偏置安全工作區(qū)具有溫度特性（在高溫下劣化），VCE－IC的工作軌跡根據(jù)柵極電阻Rg和柵極電壓VGE而變化。

因此，有必要在了解工作環(huán)境和關(guān)斷時(shí)的最小柵極電阻值后，才進(jìn)行Rg和 VGE設(shè)計(jì)。

4. 不同類(lèi)型IGBT 產(chǎn)品

市場(chǎng)上有不同類(lèi)型的 IGBT 產(chǎn)品，我們可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況、安裝類(lèi)型（例如通孔、面板安裝或表面安裝）來(lái)挑選。

IGBT單管

將MOSFET的簡(jiǎn)單柵極驅(qū)動(dòng)特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結(jié)合。

圖6. IXYS 的IXYH16N170C

IGBT模塊

由IGBT與二極管通過(guò)特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品 。封裝后的IGBT模塊可以直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。

圖7.Infineon的 FZ800R12KE3

圖8. Infineon 的 IM241-L6T2B 智能功率模塊 (IPM)

總結(jié)

IGBT 是一種功率半導(dǎo)體器件，用于電子開(kāi)關(guān)，控制和改變電流的大小頻率，是電能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用的核心芯片。由于篇幅有限，IGBT 涉及的技術(shù)內(nèi)容、應(yīng)用領(lǐng)域很廣，所以歡迎大家在文末交流分享，一起討論學(xué)習(xí)。

審核編輯 黃宇