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IGBT的工作原理
来源:音特电子 发布日期:2023-12-20 浏览次数:439次
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在实际应用中最流行和最常见的电子元器件是双极结型晶体管 BJT 和 MOS管。

IGBT实物图+电路符号图

你可以把 IGBT 看作 BJT 和 MOS 管的融合体,IGBT具有 BJT 的输入特性和 MOS 管的输出特性

与 BJT 或 MOS管相比,绝缘栅双极型晶体管 IGBT 的优势在于它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益,以及更高的工作电压和更低的 MOS 管输入损耗。

一、什么是IGBT?

 

IGBT 是绝缘栅双极晶体管的简称,是一种三端半导体开关器件,可用于多种电子设备中的高效快速开关。

 

IGBT 主要用于放大器,用于通过脉冲宽度调制 (PWM) 切换/处理复杂的波形。

 

你可以看到输入侧代表具有栅极端子的 MOS管输出侧代表具有集电极和发射极的 BJT。

 

集电极和发射极是导通端子,栅极是控制开关操作的控制端子。

 

IGBT的电路符号与等效电路图

 

二、IGBT内部结构

 

IGBT 有三个端子(集电极发射极栅极)都附有金属层。然而,栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。

 

IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件是通过组合 PNP 和 NPN 晶体管来实现的,它们构成了 PNPN 排列。

 

IGBT的内部结构图

如上图所示,最靠近集电极区的层是 (p+) 衬底,即注入区;在它上面是 N 漂移区域,包括 N 层。注入区将大部分载流子(空穴电流)从 (p+) 注入 N- 层。

漂移区的厚度决定了 IGBT 的电压阻断能力。

漂移区域的上面是主体区域,它由 (p) 基板组成,靠近发射极,在主体区域内部,有 (n+) 层。

注入区域和 N 漂移区域之间的连接点是 J2。类似地,N-区域 和 主体区域之间的结点是结点 J1。

注意:IGBT 的结构在拓扑上类似于“MOS”栅极的晶闸管。但是,晶闸管动作和功能是可抑制的,这意味着在 IGBT 的整个器件工作范围内只允许晶体管动作。

IGBT 比晶闸管更可取,因为晶闸管等待过零的快速切换。

三、IGBT工作原理

 

IGBT 的工作原理是通过激活或停用其栅极端子来开启或关闭。

如果正输入电压通过栅极,发射极保持驱动电路开启。另一方面,如果 IGBT 的栅极端电压为零或略为负,则会关闭电路应用。

由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管,因此它实现的放大量是其输出信号和控制输入信号之间的比率。

对于传统的 BJT,增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同,我们将其称为 Beta 并表示为 β。

另一方面,对于 MOS管,没有输入电流,因为栅极端子是主通道承载电流的隔离。我们通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定 IGBT 的增益。

IGBT 结构图

如下图所示,当集电极相对于发射极处于正电位时,N 沟道 IGBT 导通,而栅极相对于发射极也处于足够的正电位 (>V GET )。这种情况导致在栅极正下方形成反型层,从而形成沟道,并且电流开始从集电极流向发射极。

IGBT 中的集电极电流 Ic 由两个分量 Ie Ih 组成。Ie 是由于注入的电子通过注入层、漂移层和最终形成的沟道从集电极流向发射极的电流。Ih 是通过 Q1 和体电阻 Rb从集电极流向发射极的空穴电流。因此

尽管 Ih几乎可以忽略不计,因此 Ic ≈ Ie。

在 IGBT 中观察到一种特殊现象,称为 IGBT 的闩锁。这发生在集电极电流超过某个阈值(ICE)。在这种情况下,寄生晶闸管被锁定,栅极端子失去对集电极电流的控制,即使栅极电位降低到 VGET以下,IGBT 也无法关闭。

现在要关断 IGBT,我们需要典型的换流电路,例如晶闸管强制换流的情况。如果不尽快关闭设备,可能会损坏设备。

集电极电流公式

下图很好地解释IGBT的工作原理,描述了 IGBT 的整个器件工作范围。

IGBT的工作原理图

IGBT 仅在栅极端子上有电压供应时工作,它是栅极电压,即 VG

如上图所示,一旦存在栅极电压 ( VG ) ,栅极电流 ( IG ) 就会增加,然后它会增加栅极-发射极电压 ( VGE )。

因此,栅极-发射极电压增加了集电极电流 ( IC )。因此,集电极电流 ( IC ) 降低了集电极到发射极电压 ( VCE )。

注意:IGBT 具有类似于二极管的电压降,通常为 2V 量级,仅随着电流的对数增加。

IGBT 使用续流二极管传导反向电流,续流二极管放置在 IGBT 的集电极-发射极端子上。

四、IGBT的等效电路

 

IGBT的近似等效电路 MOS 管和 PNP 晶体管(Q1 )组成,考虑到 n- 漂移区提供的电阻,电阻 Rd已包含在电路中,如下图所示:

IGBT 的近似等效电路

仔细检查 IGBT 的基本结构,可以得出这个等效电路,基本结构如下图所示。

等效电路图的基本结构

穿通 IGBT、PT-IGBT:穿通 IGBT、PT-IGBT 在发射极接触处具有 N+ 区。

观察上面显示 IGBT 的基本结构,可以看到到从集电极到发射极存在另一条路径,这条路径是集电极、p+、n- 、 p(n 通道)、n+ 和发射极。

因此,在 IGBT 结构中存在另一个晶体管 Q2作为 n – pn+,因此,我们需要在近似等效电路中加入这个晶体管 Q2以获得精确的等效电路。

IGBT 的精确等效电路如下所示:

IGBT的精确等效电路图

该电路中的 Rby 是 p 区对空穴电流的流动提供的电阻。

众所周知,IGBT是 MOS 管的输入和 BJT 的输出的组合,它具有与N沟道MOS管和达林顿配置的PNP BJT等效的结构,因此也可以加入漂移区的电阻。

五、IGBT 的特性--静态 VI 特性

 

下图显示了 n 沟道 IGBT 的静态 VI 特性以及标有参数的电路图,该图与 BJT 的图相似,只是图中保持恒定的参数是 VGE,因为 IGBT 是电压控制器件,而 BJT 是电流控制器件。

IGBT的静态特性图

当 IGBT 处于关闭模式时(VCE为正且 VGE < VGET),反向电压被 J 2 阻断,当它被反向偏置时,即 VCE为负,J 1 阻断电压。

六、IGBT 的特性--开关特性

 

IGBT 是电压控制器件,因此它只需要一个很小的电压到栅极即可保持导通状态。

 

由于是单向器件, IGBT 只能在从集电极到发射极的正向切换电流。IGBT的典型开关电路如下所示,栅极电压 VG施加到栅极引脚以从电源电压 V+ 切换电机 (M)。电阻 Rs 大致用于限制通过电机的电流。

IGBT的典型开关电路图

下图显示了IGBT 的典型开关特性

IGBT 的典型开关特性

导通时间( t on):通常由延迟时间 (t dn ) 和上升时间 (t r ) 两部分组成。

延迟时间 (t dn ):定义为集电极电流从漏电流 ICE上升到 0.1 IC(最终集电极电流)和集电极发射极电压从 VCE下降到 0.9VCE的时间。

上升时间 (t r ):定义为集电极电流从 0.1 IC上升到 IC以及集电极-发射极电压从 0.9V CE下降到 0.1 VCE的时间。

关断时间( t off):由三个部分组成,延迟时间 (t df )、初始下降时间 (t f1 ) 和最终下降时间 (t f2 )。

延迟时间 (t df ):定义为集电极电流从 I C下降到 0.9 I C并且 V CE开始上升的时间。

初始下降时间 (t f1 ):集电极电流从 0.9 I C下降到 0.2 I C并且集电极发射极电压上升到 0.1 V CE的时间。

最终下降时间 (t f2 ):定义为集电极电流从 0.2 I C下降到 0.1 I C并且 0.1V CE上升到最终值 V CE的时间。

关断时间公式

导通时间公式

 

七、IGBT 的特性--输入特性

 

下图可以理解IGBT的输入特性。开始,当没有电压施加到栅极引脚时,IGBT 处于关闭状态,没有电流流过集电极引脚。

当施加到栅极引脚的电压超过阈值电压时,IGBT 开始导通,集电极电流 I G开始在集电极和发射极端子之间流动。集电极电流相对于栅极电压增加,如下图所示。

IGBT的输入特性图

八、IGBT 的特性--输出特性

 

由于 IGBT 的工作依赖于电压,因此只需要在栅极端子上提供极少量的电压即可保持导通。

 

IGBT 与双极功率晶体管相反,双极功率晶体管需要在基极区域有连续的基极电流流动以保持饱和。IGBT 是单向器件,这意味着它只能在“正向”(从集电极到发射极)开关。

 

IGBT 与具有双向电流切换过程的 MOS 管正好相反。MOS管正向可控,反向电压不受控制。

 

在动态条件下,当 IGBT 关闭时, 可能会经历闩锁电流,当连续导通状态驱动电流似乎超过临界值时,这就是闩锁电流。

 

此外,当栅极-发射极电压低于阈值电压时,会有少量漏电流流过 IGBT ,此时,集电极-发射极电压几乎等于电源电压,因此,四层器件 IGBT 工作在截止区。

IGBT 的输出特性图

IGBT 的输出特性分为三个阶段:

第一阶段:当栅极电压 VGE 为零时,IGBT 处于关断状态,这称为截止区。

第二阶段:当 VGE 增加时,如果它小于阈值电压,那么会有很小的漏电流流过 IGBT ,但I GBT 仍然处于截止区

第三阶段:当 VGE增加到超过阈值电压时,IGBT 进入有源区,电流开始流过 IGBT 。如上图所示,电流将随着电压 VGE的增加而增加

九、IGBT 的优缺点

 

IGBT作为一个整体兼有BJT和MOS管的优点

 

1、优点

  • 具有更高的电压和电流处理能力。

  • 具有非常高的输入阻抗。

  • 可以使用非常低的电压切换非常高的电流。

  • 电压控制装置,即它没有输入电流和低输入损耗。

  • 栅极驱动电路简单且便宜,降低了栅极驱动的要求

  • 通过施加正电压可以很容易地打开它,通过施加零电压或负电压可以很容易地关闭它。

  • 具有非常低的导通电阻。

  • 具有高电流密度,使其能够具有更小的芯片尺寸。

  • 具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。

  • 具有比 BJT 更高的开关速度。

  • 可以使用低控制电压切换高电流电平。

  • 由于双极性质,增强了传导性。

  • 更安全

2、缺点

  • 开关速度低于 MOS管。

  • 单向的,在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。

  • 不能阻挡更高的反向电压。

  • 比 BJT 和 MOS管 更昂贵。

  • 类似于晶闸管的 PNPN 结构,它存在锁存问题。

  • 与 PMOS 管 相比,关断时间长。

  • 类似于晶闸管的 PNPN 结构,它存在锁存问题。

  • 与 PMOS 管 相比,关断时间长。