2.7 绝缘栅双极型晶体管

GTR和GTO晶闸管是双极型电流驱动器件，具有电导调制效应，通流能力很强、通态压降低，但开关速度慢、所需驱动功率大、驱动电路复杂。而电力场效应晶体管是单极型电压控制器件，其开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、所需驱动功率小和驱动电路简单，但是通流能力低，并且通态压降大。将上述两类器件相互取长补短适当结合，构成一种新型复合器件，即绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT或IGT）。IGBT综合了GTR和MOSFET的优点，具有良好的特性，因此，自从其1986年开始投入市场，就迅速扩展了其应用领域，目前已占领了原来GTR和GTO晶闸管的部分市场，成为中、大功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量。

2.7.1 IGBT的结构和工作原理

IGBT也是一种三端器件，它们分别是栅极G、集电极C和发射极E，其结构、简化等效电路和电气符号如图2-24所示。由结构图可知，它相当于用一个MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。从简化等效电路图可以看出，IGBT等效为一个N沟道MOSFET和一个PNP型晶体管构成的复合管，导电以GTR为主。图中的 R _N 是GTR厚基区内的调制电阻。IGBT的导通和关断均由栅极电压控制。当栅极加正电压时，N沟道场效应晶体管导通，并为晶体管提供基极电流，使得IGBT导通。当栅极加反向电压时，场效应晶体管导电沟道消失，PNP型晶体管基极电流被切断，IGBT关断。

2.7.2 IGBT的基本特性

1.IGBT的静态特性

IGBT的静态特性主要包括转移特性和输出特性，如图2-25所示。图2-25a所示为IGBT的转移特性曲线，它描述的是集电极电流 I _C （输出电流）与栅射电压（输入电压） U _GE 之间的关系。与电力MOSFET的转移特性类似，开启电压 U _GE（th） 是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。栅射电压 U _GE 小于开启电压 U _GE（th） 时，IGBT处于关断状态。当栅射电压 U _GE 接近开启电压 U _GE（th） 时，集电极开始出现电流 I _C ，但很小。当 U _GE 大于 U _GE（th） 时，在大部分范围内， I _C 与 U _GE 呈线性关系变化。由于 U _GE 对 I _C 有控制作用，所以最大栅极电压受最大集电极电流 I _CM 的限制，其典型值一般为15V。图2-25b所示为IGBT的输出特性，也称为伏安特性，它描述的是以栅射电压 U _GE 为参考变量时，集电极电流 I _C （输出电流）与集射极间电压 U _CE （输出电压）之间的关系。此特性与GTR的输出特性相似，不同之处是参变量，GTR为基极电流 I _b ，而IGBT为栅射电压 U _GE 。IGBT输出特性分为三个区域，即正向阻断区、有源区和饱和区。这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。当 U _CE ＜0时，器件呈现反向阻断特性，一般只流过微小的反向电流。在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因此是在正向阻断区和饱和区之间交替转换。

2.IGBT的动态特性

IGBT的动态特性如图2-26所示。IGBT的导通过程与电力MOSFET相似，因为IGBT在导通过程中，大部分时间作为MOSFET来运行。其导通过程从驱动电压 u _GE 的前沿上升至其幅值的10%时刻开始，到集电极电流 I _C 上升至其幅值的10%时刻止，这段时间称为导通延时时间 t _d（on） 。此后，从10% I _CM 开始到90% I _CM 这段时间，称为电流的上升时间 t _ri 。

在IGBT开通时，集射电压下降的过程是首先IGBT中的MOSFET单独工作的电压下降过程，在这段时间内栅极电压 u _GE 维持不变，这段时间称为电压下降第一段时间 t _fv1 。在MOSFET电压下降时，致使IGBT中的PNP晶体管也有一个电压下降过程，此段时间称为电压下降第二段时间 t _fv2 。由于 u _CE 下降时，IGBT中MOSFET的栅漏极电容增大，并且IGBT中的PNP晶体管需由放大状态转移到饱和状态，因此 t _fv2 时间较长。只有在 t _fv2 段结束时，IGBT才完全进入饱和状态。导通时间 t _on 可以定义为开通延迟时间与电流上升时间及电压下降时间之和。

IGBT关断时与电力MOSFET的关断过程也相似。从驱动电压 u _GE 的脉冲后沿下降到其幅值的90%的时刻起，到集射电压 u _CE 上升至幅值的10%，这段时间为关断延迟时间 t _d（off） 。随后是集射电压 u _CE 上升时间 t _rv ，在这段时间内栅极电压 u _GE 维持不变。集电极电流从90% I _CM 下降至10% I _CM 的这段时间为电流下降时间 t _fi 。电流下降时间可以分为 t _fi1 和 t _fi2 两段，其中 t _fi1 对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，这段时间集电极电流 i _C 下降较快； t _fi2 对应IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少子复合缓慢，造成 i _C 下降较慢。关断延迟时间、电压上升时间和电流下降时间之和可以定义为关断时间 t _off 。

可以看出，由于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，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。此外，IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高电阻率，这会引起通态压降增大和关断时间延长。

还应该指出的是，同电力MOSFET一样，IGBT的开关速度受其栅极驱动电路内阻的影响，其开关过程波形和时序的许多重要细节（如IGBT所承受的最大电压和电流、器件能量损耗等）也受到主电路结构、控制方式、缓冲电路以及主电路寄生参数等条件的影响，都应该在设计采用这些器件的实际电路时加以注意。

2.7.3 IGBT的主要参数及擎住效应和安全工作区

1.IGBT的主要参数

除了前面提到的各参数之外，IGBT的主要参数还包括：

1）最大集射极间电压 U _CES ，这是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。

2）最大集电极电流，包括额定直流电流 I _C 和1ms脉宽最大电流 I _CP 。

3）最大集电极功耗 P _CM ，在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

2.擎住效应

从IGBT结构图中可以发现，在IGBT内部寄生着一个N-PN ⁺ 晶体管和作为主开关器件的P ⁺ N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN型晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于给J ₃ 结施加一个正向偏压。在额定集电极电流范围内，这个偏压很小，不足以使J ₃ 导通，然而一旦J ₃ 导通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功耗过高而损坏。这种电流失控的现象就像普通晶闸管被触发以后，即使撤销触发信号，晶闸管仍然因进入正反馈过程而维持导通的机理一样，因此被称为擎住效应或自锁效应。引发擎住效应的原因可能是集电极电流过大（产生的擎住效应称为静态擎住效应），也可能是关断过程d u _CE /d t 过大（产生的擎住效应称为动态擎住效应），温度升高也会加重发生擎住效应的危险。

由于动态擎住时所允许的集电极电流比静态擎住时小，因此所允许的最大集电极电流 I _CM 实际上是根据动态擎住效应确定的。为避免发生擎住现象，应用时应保证集电极电流不超过 I _CM ，或增大栅极电阻，减缓IGBT的关断速度。总之，使用IGBT时必须避免引起擎住效应，以确保器件的安全。擎住效应曾经是限制IGBT电流容量进一步提高的主要因素之一，但经过多年的努力，自20世纪90年代中后期开始，这个问题已得到了很好的解决。

3.安全工作区

IGBT导通和关断时，均具有较宽的安全工作区。根据最大集电极电流 I _CM 、最大集射极间电压 U _CEO 和最大集电极功耗可以确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作区（Forward Biased Safe Operating Area，FBSOA）。如图2-27a所示，正向偏置安全工作区与IGBT的导通时间密切相关，它随导通时间的增加而逐渐减小，直流工作时安全工作区最小。

根据最大集电极电流 I _CM 、最大集射极间电压 U _CEO 和最大允许电压上升率d U _CE /d t ，可以确定IGBT在关断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Operating Area，RBSOA）。如图2-27b所示。RBSOA与FBSOA稍有不同，RBSOA随IGBT关断时重加d U _CE /d t 的变化而变化。电压上升率d U _CE /d t 越大，安全工作区越小。一般可以通过适当选择栅射极电压 U _GE 和栅极驱动电阻来控制d U _CE /d t ，避免擎住效应，扩大安全工作区。