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IGBT也就是绝缘栅双极型晶体管，它是由BJT（双极结型晶体三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，作为能源变换与传输的核心器件，IGBT被称为电力电子装置的“CPU”，IGBT产业是国家战略性新兴产业，该器件在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广，关注CEIA，了解更多与半导体及半导体封装相关的内容。 大家好，我是来自华中科技大学电器与电子工程学院的陈宇老师。今天我们来学习绝缘门级双极型晶体管，也就是我们常说的IGBT。 我们首先看一看IGBT的基本特性。 首先看看大家都很熟悉的电力晶体管BJT和MOS管它们的优缺点，晶体管大家知道，导通压降小，所以导通损耗小，所以我们很容易把功率容量做得很大，但是它的缺点也很明显，它一个电流控制型的器件，驱动损耗大。 而另外一方面，MOS管刚好相反，它是一个电压控制型的器件，所以开关损耗小，开关速度快，但是它的缺点是通过沟道导电的，所以说导通电阻大，导通损耗大、功率容量就做不到。 而我们这节课所学的IGBT刚好就组合了这两者，变成了一个更有优势的器件。大家可以看到 IGBT的前面，控制部分，其实就是一个MOS管，而后面又极连着一个晶体管，这样的结构带来了下面的特性。第一，它的驱动依然是一个电压型的驱动，所以它的驱动功率小，电压超过门槛电压Vth就可以让它驱动了。第二，当MOS管驱动之后，就会让三极管产生一个基极电流，基极电流就可以让整个晶体管开通。 当我们需要把 IGBT关断的时候，我们就可以去掉MOS管的驱动电压，那么三极管的基极电流也没有了，整个器件就关断了。 所以从这个工作特性大家可以看到，我们IGBT的符号也可以充分地表现这一点。大家看它的右边，是一个三极管的符号，但是把控制的基极砍掉一部分，再接上一个MOS管它的控制的部分。大家注意三级管的这一竖和MOS管的这一竖是不相连接的，这意味着它们的驱动回流当中没有电流流过，是隔离的。好，我们再来总结一下 IGBT它的优缺点，第一，它是一个电压控制型的驱动，开通、关断所需的驱动损耗小。第二，它的通态压降小，因为它本质上主功率部分是一个晶体管BJT，所以说功率容量、耐压等都容易做大。 中间的这两个是它的中性的特点，它无所谓是一个缺点，也无所谓是一个优点，视实际的应用场合。首先它是一个双极性的器件，这意味着这两端接正负是有区别的，而它的开关的速率处于BJT和P-MOSFET之间，因为本身它毕竟是一个晶体管，不是一个MOS管，所以它的开关频率是要略低一点的。但是另外一方面，晶体管的基极又是受MOS管的控制的，所以说基极的控制能力会更强，所以它的开关速度又比普通的BJT要更快，但是它也有一个新的缺点叫擎住效应，擎住效应是怎么产生的呢？我们学习下面的一个小结就可以知道了。 接下来我们来看看 IGBT的工作原理。 像这样一个IGBT，它的真实情况应该是怎么样的？大家请注意，这里这个电阻是通过器件结构设计的时候引入的本身的寄生的电阻，是用来实现一定的调制功能的，我们在这里暂时忽略它，那这样一个结构我们在实际当中是怎么做的呢？大家看，这是一个PNP型的三极管，上面是一个MOS管，现在我们需要把MOS管和PNP型的三级管极连在一起。 所以我们观察一下这个结构，我们可以首先把 这个N极挖出两个槽来，然后再把 这个P极填进去。接下来我们对比一下，P、N和这个MOS管的P、N其实是一样的，除了这里有一根线表征了这个MOS管在 N区需要有两种不同的掺杂浓度，但是这个不是重点，我们在这里画一根线，然后把整个东西拼下来。一个IGBT就做好了，它对应的就是这个的等效电路。 我们再看看IGBT做好之后带来了什么新的问题，如果我们注意看，我们可以发现，这个三极管在哪里？在这个地方，但是另外一方面我们也可以发现，当这个结构做好之后，我们自然的又引入了一个寄生的三极管，请大家注意，这个三极管，是我们所需要的主三极管，而接下来这个三极管是由于结构做好了之后，自然引入了两个三极管，一个是我们需要的，一个是这个结构做好之后自然产生的，这两个三极管都在等效电路图上可以表征出来。 好，大家可以看一看，这个三级管的这个极和这个极，都通过这个电极连通在同一个点上，对应的就是电路图中这个地方，其他的两个极大家也可以一一核对一下，另外在分析这个结构的时候，请大家注意，在分析这个结构的时候，这个体区电阻也是不能忽略的，体区电阻主要是由载流子在半导体中间流动的时候受到的妨碍作用的等效的一个符号。 好，有了等效的电路，我们现在可以解释我们的擎住效应是什么，大家注意看一下，这个电路有没有觉得有一点眼熟，实际上这个就是我们上面的视频里面所学过的晶闸管的等效电路。 所以整个事情可以这么说，当我们用一个MOS管和一个晶体管，组合成是一个IGBT的时候，它里面又偷偷躲着一个晶闸管，听起来比较复杂，就由于晶闸管的存在，所以说产生了擎住效应，擎住效应是什么呢？当体区的电阻、电压比较高的时候，就会使寄生的三极管的基极产生电流，基极产生电流，就会在这里产生一个更大的电流，这个电流又会引导出这里一个更大的电流，这个电流又会使这个电流进一步增大，整个过程正循环，这不就是一个晶闸管的开通过程吗？并且大家要注意的是，这个开通过程一旦形成正循环，你的外部驱动电路就再也关不掉它了。 所以在IGBT正常工作的时候，我们需要避免擎住效应的产生，注意两点就可以避免擎住效应的产生。第一个是不要让IGBT流过太大的集电极电流，大家可以看到集电极电流越大，电阻上的压降就越大，这个寄生二极管就越容易导通，就越容易产生正循环。所以我们的IGBT的流过的电流是有一个上限的。 另外一方面我们也需要注意到，晶体管内部是有寄生电容的，而电容上流过电流的时候也会提供一个基极电流，让正循环产生，那这个电容电流怎么来的呢？如果IGBT的C、E两端的电压产生剧烈的变化，那么中间的这个寄生电容的电压也会跟着产生剧烈的变化，这个时候就有可能产生一个瞬间的脉冲的电容电流，有可能导致擎住效应的产生，这些情况在实际使用当中都需要避免。 最后我们来看看描述IGBT的两条特性曲线。 第一条是转移曲线，它是说在IGBT的C、E两端加一个电压，然后通过控制 G、E两端的电压去看看流过集电极的电流到底会产生怎样的变化，横轴是作用在 G、E两端的电压，纵轴是流过的电流，从这个图我们可以看到，当驱动的电压没有到达一定的门槛值的时候，IGBT是不导通的，一旦超过这个门槛值，IGBT的电流就会呈指数形式地上升，并且上升得很快，最后表明它充分导通了，那这个特性，其实跟MOS管是差不多的。 IGBT的另外一条曲线就是输出特性曲线，它的横轴代表的是作用在IGBT两端的电压，纵轴是流过IGBT的电流，而上面的每一根曲线是代表不同驱动电压情况之后有可能的取值。 这个图怎么理解呢？我们可以结合一个外围的电路进行理解，在这个图里面，一个IGBT接在了一个电源和一个电阻上面，它想充当这个主功率回路的开关，我们可以想象，当IGBT作为一个理想的导线充分导通的时候，这两点的电压就为0，而流过它的电流就由整个外部电路的电压除以电阻来决定，在这种情况之下就在图里面的这一点（h），电压为0，电流最大。 另外一个极端是IGBT完全地阻断，那这个时候它相当于开路，两端的电压就是电源的电压，而流过它的电流就为0，这个就在图上的这一点（a）。这根红色的曲线就表明了 IGBT的状态，从一个极端变换到另外一个极端时候的整个可能的情况，而这两个曲线的交点就是我们控制驱动电压所得到的稳定的工作点，举个例子，如果我们的驱动电压为0，在门槛电压以下，那么 IGBT是阻断的，没有电流，电压就是电源两端的电压，如果我们让它刚好就是门槛电压Vth，这个时候可以发现，有一定的电流了，但是这个电流是很小的，这意味着IGBT并没有充分地导通。 如果我们把电压提高到8伏，交点就跑到这，这意味着IGBT几乎已经充分导通了，因为电流已经很大了，两端的压降已经很小了，但实际上从这个曲线我们也可以看到，我们还可以进一步地把驱动电压提高到10伏，因为这个时候，它的交点会进一步地前移，跑到这，这个时候是IGBT更充分导通的点。 从这个曲线也可以看到，如果我们再把驱动电压变成12伏，就没什么必要了，因为12伏的这个曲线和10伏的曲线，它的交点都在这，从这个分析我们可以看到，在设计IGBT的驱动电压的时候，我们要综合外部的电路的特性进行考虑，以便找到一个驱动电压和外部电路运行良好的一个平衡点。 最后我们做一个简单的小结，我们说IGBT它兼顾了BJT和MOSFET的优点，但是IGBT内部有一个寄生的三极管会产生擎住效应，在设计的时候需要注意。 第三个，在视频里没有明确说，但是大家可以回去思考一下，IGBT里面内部是没有寄生的反并联二极管的，这跟MOS管不一样，但是反并联二极管在大多数电路当中是很有用的，正因为这个原因，生产厂商在生产IGBT的时候会把一个额外的二极管一起封装进去，使得 IGBT看起来带了一个反并联的二极管，方便我们使用。好了，这节课就到这里，再见。 扫码进群 |
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