igbt结构及工作原理（IGBT原理介绍）

IGBT称为绝缘栅双极性晶体管，它结合了MOSFET的驱动优势和双极性晶体管的优势。IGBT的内部结构和等效电路如图1所示。从结构上看，IGBT更像垂直型MOSFET，不同之处在于它在漏极增加了高掺杂P 层，称为集电极。当栅极电压小于开启电压时，IGBT关断。此时，发射极电压远小于集电极电压，状态为正向阻断，PN结J2阻断。而PN结J1和J3正偏，为了获得足够的阻断能力，N-区需足够宽，掺杂浓度尽量低。

当IGBT栅极接到正电压（通常为15V)，IGBT导通。首先，在氧化层下面的P区建立反型导电沟道，为电子从发射极到N-区提供导电路径，从而降低N-区的电位，PN结J1导通。P 区的少子（空穴）开始注入N-区，使得该区的少数载流子浓度远远超过多数载流子。为了保持电荷中性，大量的自由电子从N 区吸引到N-区。由于载流子的注入，相对高阻的N-区的导电率迅速上升。这个过程称为电导调制效应。它会有效减小IGBT的正向导通压降。IGBT的饱和压降UCEsat低于MOSFET的扩散电压，特别是在高压大电流的应用场合，所以IGBT的损耗要比MOSFET的低。IGBT的简化模型可以用MOSFET和PIN二极管的串联电路等效。

IGBT输出特性如图2a所示。若栅极电压太小，形成的反型层较弱，流入漂移区电子数相对较少，IGBT的压降增大，进入特性曲线的线性放大区。当IGBT工作在线性放大区时，损耗加剧，严重会损坏器件。故器件应避免进入线性放大区。

IGBT导通时，PN结J2由于承受负电压而保持阻断。在相邻两层之间形成空间电荷区，而且它会夹断从P区到N-区宽度为dJEFT范围内的区域，如图2b所示。而该区域在某种程度上决定了IGBT通态损耗。这种夹断原理类似于JFET，因而下文中内部电阻用RJEFT表示。平面栅极结构IGBT都可以这样表示。

若栅源电压为零或者反向，栅极的沟道重组阻止自由电子继续注入漂移区。此时，漂移区载流子的浓度非常高，所以大量的电子向集电极P 区移动，而空穴向P基区移动。由于电子的浓度逐步拉平，载流子的移动逐步停止，剩余的载流子依靠复合来移除。因而IGBT的关断电流分为两个阶段：一是：关断反型沟道，导致电流迅速下降；二是：持续的时间较长，导致IGBT产生拖尾电流Icz，如图3所示。第一阶段称为MOSFET关断，第二阶段称为晶体管关断。由于拖尾电流的存在使得IGBT的关断损耗高于MOSFET关断损耗。

关于IGBT的术语

（1）集电极-发射极阻断电压UCES：栅极和发射极断路时，集电极和发射极之间的电压。

（2）集电极-发射极击穿电压U(BR)CES：栅极和发射极短路时，集电极和发射极之间的电压。

（3）集电极-发射极饱和电压UCEsat：在栅极和发射极之间加入一定的电压，且集电极电流几乎不受栅极-发射极电压控制时的电压。

（4）栅极-发射极之间的阈值电压UGE(th)：集电极电流有一个较小的特定值时，栅极和发射极之间的电压。此时IGBT内部MOSFET沟通开启，允许一个很小的电流流过。

（5）二极管正向导通电压UF：当二极管流过一个特定的正向电流IF时，阳极和阴极之间的电压。

（6）集电极电流Ic：通常称作集电极电流。在数据手册中也用来表示最大连续集电极直流电流。

（7）重复峰值集电极电流ICRM：在时间t中（一般是1ms）最大的重复电流。很多厂商指定ICRM的值是集电极电流的两倍。

（8）集电极-发射极漏电流ICES：在指定的集电极-射极电压下，通常取额定阻断电压UCES，流入集电极的漏电流。

（9）拖尾电流Icz：IGBT关断过程中，拖尾时间tZ内的集电极电流。

（10）二极管电流IF：正向导通时通过二极管的电流。数据手册中通常指二极管最大连续正向直流电流。

（11）二极管重复峰值电流IFRM：在时间t中（一般是1ms）正向通过二极管的最大重复电流，很多厂商指定IFRM是二极管电流的两倍。

（12）二极管反向恢复电流IRM：在给定的测试条件下反向恢复电流最大值。

（13）开通延时td(on)：IGBT的栅极开启电压脉冲到集电极电流开始上升的时间间隔。通常以栅极电压幅值的10%和集电极电流10%作为开通延时计算参考点。

（14）上升时间tr：通常指IGBT开通后，集电极电流从最大值的10%上升到90%的时间间隔。

（15）开通时间ton：开通延时与上升时间之和，如图4a所示。

（16）关断延时td(off)：维持IGBT导通的栅极电压脉冲的末端时刻到集电极电流开始下降的间隔。在这段时间内，IGBT进入关断状态。一般情况下，以栅极电压幅值的90%和集电极电流90%作为关断延时计算的参考点。

（17）下降时间tf：一般指集电极电流从最大值的90%下降到10%的时间。如果集电极电流90%的值到10%的值不是一条直线，则做一条下降电流曲线的切线，在切线上读取集电极电流的10%。

（18）关断时间toff：关断延时和下降时间之和，如图4b所示。

（19）拖尾时间tZ：关断时间toff的末端到集电极电流下降到其最大值2%时的时间间隔。