绝缘栅双极型晶体管

功率MOSFET具有驱动方便、开关速度快等优点，但导通后呈现电阻性质，在电流较大时的压降较高，而且器件的容量较小，仅能适用于小功率装置。大功率晶体管GTR的饱和压降低、容量大，但其为电流驱动，驱动功率较大，开关速度低。20世纪80年代出现的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是把MOSFET与GTR复合形成，除具有MOSFET的电压型驱动、驱动功率小的特点，同时具有GTR 饱和压降低和可耐高电压和大电流等一系列应用上的优点，开关频率虽低于MOSFET，但高于GTR。目前IGBT已基本取代了GTR，成为当前在工业领域应用最广泛的功率半导体器件。

1. 结构与工作原理

IGBT的内部结构、等效电路及电路符号如图3-9所示。当器件承受正向电压，而栅极驱动电压小于阀值电压时，IGBT的N-层与P-层间的PN结J2反偏，IGBT处于关断状态。当驱动电压升高至阀值电压时，由于其电场的作用，在栅极下P-区中就会出现一条导电沟道，从而使IGBT开始导通。此时J3处于正偏状态，因而有大量空穴从P+区注入N-区域，使N-区域中的载流子浓度大大增加，产生电导调制效应，降低了IGBT的正向压降。当撤去栅极电压后，栅极下的导电沟道消失，从而停止了从N+区经导电沟道向N-区的电子注入，IGBT开始进入关断过程。但由于IGBT在正向导通时N-区（基区）含有大量载流子，因而它并不能立刻关断，直到N-区中的剩余载流子消失，IGBT才进入阻断状态，这样IGBT的关断延迟时间td(off)比MOSFET要长一些。

图3-9 IGBT的结构、等效电路和电路符号

（a）内部结构；（b）简化等效电路；（c）电路符号

与MOSFET类似，IGBT集电极电流与栅射电压间的关系称为转移特性，集电极电流与栅射电压、集射电压之间的关系为输出特性，如图3-10所示。从图中可以看出，当栅射电压高于开启电压UGE(th)时，IGBT开始导通，UGE(th)的值一般为2～6 V。

图3-10 IGBT的转移特性和输出特性

（a）转移特性；（b）输出特性

IGBT的开关过程如图3-11所示。在开通过程中，IGBT等效的MOSFET起主要作用，因此该过程与MOSFET十分相似。从驱动电压uGE上升至其幅值的10%至集电极电流iC上升到稳态值的10%的时间称为开通延迟时间td(on)，iC从10%稳态值上升至90%稳态值的时间称为上升时间tr。IGBT的开通时间定义为开通延迟时间与上升时间之和。在IGBT开通过程中，集射极电压UCE的下降过程分为陡降阶段ifv1 和缓降阶段i fv2。前者是由于MOSFET迅速导通形成，第二阶段中由于MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和导通状态也需要一个过程，因此电压下降较缓慢。

图3-11 IGBT的开关过程

IGBT关断过程中，从驱动电压uGE下降至其幅值的90%到集电极电流iC下降为稳态值的90%的时间称为关断延迟时间td(off)，集电极电流iC从稳态值的90%下降至10%的时间称为下降时间tf，两者之和为关断时间toff 。同样，集电极电流iC的下降过程也分为陡降阶段tfi1 和缓降阶段tfi2 ，前者也是由于MOSFET快速关断所形成，后者则是由于N基区中的少子复合缓慢造成，此阶段的电流又称为拖尾电流。较长时间的拖尾电流会产生较大的关断损耗。

2. 主要参数

（1）最大集射极间电压UCES

该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的。

（2）最大集电极电流

最大集电极电流包括在一定的壳温下额定直流电流IC和1 ms脉宽最大电流ICP。不同厂商产品的标称电流通常为壳温25 ℃或80 ℃条件下的额定直流电流 IC。该参数与IG BT的壳温密切相关，而且由于器件实际工作时的壳温一般都较高，所以选用时必须加以重视。

（3）最大集电极功耗PCM

在一定的壳温下IGBT允许的最大功耗，该功耗将随壳温升高而下降。

（4）集射饱和压降UCE(sat)

栅射间施加一定电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射间饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时呈负温度系数，在电流较大时为正温度系数，这一特性使IGBT并联运行也较为容易。

（5）栅射电压UGES

与MOSFET相似，当将导致绝缘层击穿。因此在焊接、驱动等方面必须注意。