2.6
绝缘栅双极型晶体管

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），是兼具GTR和MOSFET各自优点的复合式全控型器件。它既具有MOSFET的输入阻抗高、驱动功率小、开关频率高等优点，又具有GTR通态电阻低、电流容量大等优点。

如图2.30所示为几种常用的IGBT实物图。IGBT适合应用于中大功率的电力电子装置中，如在交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域广泛使用。

2.6.1 IGBT结构

IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。如图2.31（a）所示，给出了一种N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT，比图2.27多一层P ^＋ 注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。其等效电路如图2.31（b）所示，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。如图2.31（c）所示是N沟道IGBT的电气图形符号。

2.6.2 IGBT工作原理

IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。其开通和关断由栅极和发射极间的电压 U _GE 决定。如图2.31（b）所示，当 U _GE 为正且大于阈值电压 U _GE（th） 时，在MOSFET内形成沟道，并为GTR提供基极电流，进而使IGBT导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，GTR的基极电流被切断，使得IGBT关断。电导调制效应使得电阻 R _N 减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。

2.6.3 IGBT基本特性

（1）静态特性

IGBT的静态特性表现为转移特性和输出特性，如图2.32所示。

1）转移特性

如图2.32（a）所示，转移特性描述的是集电极电流 I _C 与栅射电压 U _GE 之间的关系。阈值电压 U _GE（th） 是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。当栅射电压小于 U _GE（th） 时，IGBT处于关断状态。

2）输出特性

如图2.32（b）所示，输出特性描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流 I _C 与集射极间电压 U _CE 之间的关系。图中分为3个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。当 U _CE ＜0时，IGBT为反向阻断工作状态。在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，在正向阻断区和饱和区之间来回转换。

（2）动态特性

1）开通过程

如图2.33所示， t _d（on） 是开通延迟时间，表示从驱动电压 U _GE 幅值的10％上升到集电极电流 I _C 幅值的10％所用的时间。 t _ri 是电流上升时间，表示 I _C 从10％上升到90％所用的时间。开通时间 t _on ＝ t _d（on） ＋ t _ri ＋ t _fv ，其中， t _fv 表示电压下降时间，分为 t _fv1 和 t _fv2 两段。

2）关断过程

如图2.33所示，关断时间 t _off ＝ t _d（off） ＋ t _rv ＋ t _fi ，其中， t _d（off） 表示关断延迟时间，表示从驱动电压 U _GE 幅值的90％到集射电压 U _CE 上升为幅值的10％所用的时间。 t _rv 表示电压上升时间； t _fi 表示电流下降时间， t _fi 分为 t _fi1 和 t _fi2 两段。因为引入了少子储存现象，所以IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。

2.6.4 IGBT主要参数

（1）最大集射极间电压 U _CES

最大集射极间电压由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定。

（2）最大集电极电流

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

（3）最大集电极功耗 P _CM

最大集电极功耗是指在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

（4）正向偏置安全工作区

正向偏置安全工作区（Forward Biased Safe Operating Area，FBSOA）由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。

（5）反向偏置安全工作区

反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Operating Area，RBSOA）由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率d U _CE /d t 确定。

部分IGBT模块的主要参数见表2.5。