IGBT

IGBT,绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor ),它是由BJT (双极结型晶体管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组合而成的全控型、电压驱动型半导体器件。BJT (Bipolar Junction Transistor)双极结型晶体管主要特征是：耐压高、电流大、开关特性好；MOSFET绝缘栅型场效应管主要特征是：驱动电路简单，所需要的驱动功率小；开关速度快、工作频率高。

IGBT被广泛用于电动汽车、新能源装备、智能电网、轨道交通、和航空航天等领域，IGBT是能源变换和传输的最核心器件，俗称电力电子装置的CPU,是目前最先进、应用最广泛的第三代半导体器件，作为国家战略新兴产业，IGBT在涉及国家经济安全、国防安全等领域占据重要地位。

IGBT的基本结构和工作原理

IGBT是一个三端器件，栅极G、集电极C和发射极E。

IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a）内部结构示意图b）简化等效电路c）电气图形符号如上图所示。

由N沟道MOSFET与双极性晶体管组合而成。比MOSFET多一层P+注入区，形成一个大面积的P+N结。导通时P+注入区向N-漂移区发射少子，从而实现对漂移区电导率控制, 使IGBT具有很强的通流能力。由双极型晶体管与MOSFET组成达林顿结构，相当于MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。

IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件，其开通和关断由栅极电压决定。导通是栅极电压大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；关断则是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。

IGBT的工作特性

静态特性：IGBT的静态特性分为转移特性（下图中a）和输出特性（伏安特性，下图中b）。转移特性是描述集电极电流与栅射电压之间的关系，与电力 MOSFET类似。开启电压是IGBT能够实现导通的最低栅射电压。开启电压随温度升高而略有下降，温度每升高 1℃,其值下降5mV。输出特性（伏安特性）是描述以栅射电压为参考变量时的集电极电流与集射间电压的关系。此特性与BJT输出特性相似；IGBT的输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。当极射间电压< 0时，IGBT为反向阻断工作状态；在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因此在正向阻断区和饱和区之间来回转换。

动态特性：IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压 Uds 下降过程后期， PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为 td(on)+tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和 tfe2组成IGBT 在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后， PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间， td(off)为关断延迟时间，trv为电压 Uds(f) 的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf，而Tf由两段时间组成，一是IGBT内部的MOSFET关断时间 t(f1)和内部PNP晶体管的关断时间 t(f2)两段组成。IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子存储现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。

IGBT的主要参数

IGBT器件的主要参数见下表：

IGBT分类

分立元件，分为不带反向并联二极管和带反向并联二极管。带反向并联二极管的IGBT成为逆导型IGBT，逆导型IGBT等效于一个IGBT与一个 PIN二极管反并联，只不过在同一芯片上实现了。当IGBT在承受反压时，这个PIN二极管导通，称其为逆导型IGBT在关断期间，逆导型IGBT为漂移区过剩载流子提供了一条有效的抽走通道，大大缩短了逆导型IGBT的关断时间。一般情况下，在IGBT后面添加一个二极管的主要原因是用在逆变回路中主要用于续流，同时由于负载存在感性，IGBT关断瞬间会在IGBT两端产生极高的自感反相电压，此电压可能击穿IGBT并联的二极管将这个“自感反相电压”短路掉了，起到保护IGBT的作用；还有一种即用在整流回路中二极管主要用于整流, 将交流电整流为直流电此回路中的IGBT主要用于回馈。

IGBT模块，由于器件被集成在一个模块之中，器件之间的连线被大大缩短，分布电感也可以大大减小，有利于器件的可靠工作；IGBT模块一般都采用绝缘导热的底板，器件的安装和使用非常方便和安全；主电路的组装十分简便，比如只需一个三相全桥模块或三个半桥模块的简单连接就可以组成一个二点式三相桥式逆变器。其示意图如下所示：

IPM，智能功率模块就是将是将功率半导体开关器件和驱动电路、过压和过流保护电路、温度监视和超温保护电路等外围电路集成在一起生产出的一种“组合”型器件。IPM正以其高可靠性、使用方便、结构简单、成本低廉等诸多优点受到了越来越多的关注，尤其适合制作中小功率的逆变器，是一种比较理想的电力电子器件。IPM一般采用IGBT作为功率半导体开关器件。

注：本文为《功率半导体器件 原理、特性和可靠性》的读书笔记及网络整理

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