关注基础知识:igbt如何工作

电力电子的最新技术进步主要来自半导体电力器件的改进，其中绝缘栅双极晶体管(igbt)引领当今市场

低压

变速驱动(VSD)应用程序。igbt具有许多理想的特性，包括金属氧化物半导体(MOS)输入门，开关速度快，导压降低，载流能力强，鲁棒性强。器件已经接近“理想开关”，典型额定电压为600- 1700伏，在电流高达1000安培时的导通电压为1.7-2.0伏，开关速度为200-500纳斯。igbt的可用性降低了系统的成本，增加了经济上可行的应用数量
20世纪80年代和90年代初的第一代igbt开关速度相对较慢，容易通过闭锁和二次击穿等模式发生故障。目前的第五代igbt具有与mosfet相媲美的速度，以及出色的坚固性和过载容忍度。IGBT用于中高功率应用，如开关电源、牵引电机控制和感应加热，以及变速电机驱动的使能技术。第五代设备极高的脉冲额定值也使它们在粒子和等离子体物理等领域产生大功率脉冲，在这些领域它们开始取代闸流管和触发火花间隙等老式设备。大型IGBT模块通常由许多并联设备组成，具有非常高的电流处理能力，可达数百安培，阻塞电压为6,000 V。
IGBT结合了双极结晶体管(BJTs)和mosfet的正属性，表现出mosfet的简单栅极驱动特性，以及双极晶体管的大电流和低饱和电压能力。bjt在导通状态下具有较低的导通损耗，特别是在具有较大阻塞电压的器件中，但具有较长的开关时间，特别是在关断时，而mosfet可以更快地打开和关闭。然而，MOSFET的导通损耗更大，特别是在额定高阻塞电压的器件中。因此，除了快速开关速度外，igbt还具有较低的导通压降和高阻塞电压能力。
设备结构
igbt具有如图1所示的垂直结构。这种结构与垂直扩散MOSFET的结构非常相似，除了N+漏被形成IGBT漏的P+集电极层所取代。这一层形成PN结，将少数载流子注入漏极漂移区。这个额外的P+区域创建了PNP双极结晶体管与表面n通道MOSFET的级联连接，导致在更高的阻塞额定电压器件中，与传统MOSFET相比，正向压降显著降低。

图1:igbt的结构类似于垂直扩散mosfets，只是用P+集电极取代了N+漏极。

随着MOSFET和IGBT器件的阻塞电压额定值的增加，N漂移区域的深度必须增加，掺杂必须减少，导致正导损耗相对于器件的阻塞电压能力大致呈平方关系增加。在正导过程中，通过将少数载流子(空穴)从集电极P+区注入到N漂移区，N漂移区的电阻大大降低。然而，这种导通正向电压的降低带来了一些不利因素:
附加的PN结阻断反向电流。这意味着igbt不能像MOSFET那样反向导电。在需要反向电流流动的桥式电路中，与IGBT平行放置一个额外的二极管(称为自由二极管)以使电流向相反方向传导。尽管如此，这种惩罚并不像最初假设的那么严重，因为在IGBT使用占主导地位的较高电压下，分立二极管的性能明显高于MOSFET的体二极管。
一种寄生晶闸管，它可以锁住igbt，如果它被打开。在N+漏极触点和N+漂移层之间的N+缓冲层，在适当的掺杂密度和厚度下，可以在两个重要方面显著改善IGBT的运行:降低导通压降，缩短关断时间。另一方面，该层的存在大大降低了IGBT的反向阻塞能力。
IGBT的特点
IGBT是一种三端功率半导体器件，以高效率和快速开关而闻名。任何半导体开关器件的主要重要性能特征之一是其开关特性(主要是导通和关断开关瞬态，以及器件的安全工作区域)。N漂区对集电极P+二极管的反向偏置额定值通常只有几十伏，因此，如果外部电路对IGBT施加反向电压，则必须使用额外的串联二极管。注入N漂移区的少数载流子在开关时进入、退出或重组需要时间。与功率MOSFET相比，这导致更长的开关时间和更高的开关损耗。
igbt是电压控制器件，需要栅极电压来建立集电极到发射极的传导。由于igbt的大输入栅极到发射极电容，可以使用MOSFET驱动技术。然而，偏差需要更强。通常推荐使用15 V正栅极驱动，以保证完全饱和并限制短路电流。采用负电压偏置来提高IGBT对集电极到发射极dv/dt注入噪声的抗扰度，并减少关断损失。
附加的PN结给器件增加了一个类似二极管的压降。在较低的阻塞电压额定值下，这一额外的电压降意味着IGBT将具有更高的导通电压降。随着器件额定电压的增加，N漂移区电阻降低的优势克服了二极管下降的损失，并且整体导通压降更低(交叉约为400v阻塞额定值)。因此，在阻塞电压要求低于600v的地方很少使用igbt。
引用:
g . Ledwichigbt基础知识， PowerDesigners, LLC, 1998年。
”绝缘栅双极晶体管”,维基百科2008年11月14日。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。