绝缘栅双极晶体管(精)
IGBT是什么？
IGBT是什么？作者：海飞乐技术时间：2017-04-13 16:00IGBT是什么？IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管，可以简单理解为IGBT是MOSFET和BJT的组合体。
MOSFET主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱动电流会比MOSFET 大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。
所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗)，又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。
从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
图1IGBT实物图左图IGBT模块，右图IGBT管IGBT有什么用？绝缘栅双极晶体管（IGBT）是高压开关家族中最为年轻的一位。
由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。
IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加+12V（大于6V，一般取12V到15V）时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。
IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。
IGBT有三个端子，分别是G，D，S，在G和S两端加上电压后，内部的电子发生转移（半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因），本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。
实验一 绝缘栅双极型晶体管
实验一绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究一．实验目的：1.熟悉IGBT开关特性的测试方法；2.掌握混合集成驱动电路EXB840的工作原理与调试方法。
二．实验内容1.EXB840性能测试；2.IGBT开关特性测试；3.过流保护性能测试。
三．实验方法1．EXB840性能测试（1）输入输出延时时间测试IGBT部分的“1”与PWM波形发生部分的“1”相连，IGBT部分的“13”与PWM 波形发生部分的“2”相连，再将IGBT部分的“10”与“13”相连，与门输入“2”与“1”相连，用示波器观察输入“1”与“13”及EXB840输出“12”与“13”之间波形，记录开通与关断延时时间。
t on= ，t off=（2）保护输出部分光耦延时时间测试将IGBT部分“10”与“13”的连线断开，并将“6”与“7”相连。
用示波器观察“8”与“13”及“4”与“13”之间波形，记录延时时间。
（3）过流慢速关断时间测试接线同上，用示波器观察“1”与“13”及“12”与“13”之间波形，记录慢速关断时间。
（4）关断时的负栅压测试断开“10”与“13”的相连，其余接线同上，用示波器观察“12”与“17”之间波形，记录关断时的负栅压值。
（5）过流阀值电压测试断开“10”与“13”的连接，断开“2”与“1”的连接，分别连接“2”与“3”，“4”与“5”，“6”与“7”，分别将主回路的“3”与“4”和“10”与“17”相连，即按照以下表格的说明连线。
将主电路的RP左旋到底，用示波器观察“12”与“17”之间波形，将RP逐渐向右旋转，边旋转边监视波形，一旦该波形消失时即停止旋转，测出主回路“3”与“4”之间电压值，该值即为过流保护阀值电压值。
2．开关特性测试（1）电阻负载时开关特性测试将“1”与“13”分别与波形发生器“1”与“2”相连，“4”与“5”，“6”与“7”，‘2“与”3“，“12”与“14”，“10”与“18”，“17”与“16”相连，主回路的“1”用示波器分别观察“14”与“15”及“16”与“15”的波形，记录开通延迟时间。
IGBT内部结构和拆解
IGBT内部结构和拆解（IGBT）（绝缘栅双极（晶体管））作为一种功率（半导体）器件，广泛应用于轨道交通、（智能电网）、（工业）节能、电动汽车和（新能源）装备等领域。
具有节能、安装方便、维护方便、散热稳定等特点。
它是能量转换和传输的核心装置。
简单概括一下，IGBT 可以说是（MOSFET）（金属氧化物半导体场效应晶体管）和BJT的结合体（双极结型晶体管）。
即它结合了MOSFET的栅压控制晶体管（高输入阻抗），利用BJT的双载流子来达到大电流的目的（压控双极型器件）。
那么这样的组合内部结构是怎样的呢？一、IGBT模块详解二、IGBT内部结构三、IGBT 内部（电流）流动四、如何拆卸IGBT模块？五、常见问题一、IGBT模块详解以（拆解）的IGBT模块型号为：FF1400R17IP4为例。
模块外观及等效电路如图1所示。
本模块长宽高分别为：25cmx8.9cmx3.8cm。
模块包含两个IGBT，也就是我们常说的半桥模块。
每个IGBT的额定电压和电流分别为1.7kV和1.4kA。
二、IGBT内部结构在初步了解了IGBT模块的外部结构和应用之后，让我们进入本文的主题，看看这个高科技黑模块的内部是什么样的。
图3是去掉黑色外壳的IGBT模块内部图。
需要注意的是，最常见的铜和铝都在IGBT 模块内部。
图3. IGBT 内部结构图4是IGBT模块的剖视图。
如果去掉黑色外壳和外部连接端子，IGBT模块主要包含散热基板、DBC基板和硅（芯片）（包括IGBT芯片和（Diode）芯片）3个元件，其余主要是焊层和互连线用于连接IGBT 芯片、Diode芯片、电源端子、控制端子和DBC（Direct Bond Copper）。
下面我们将对每个部分进行简要介绍。
图4.IGBT 剖面图① 散热基板IGBT模块的底部是散热基板，主要目的是快速传递IGBT开关过程中产生的热量。
由于铜具有更好的导热性，因此基板通常由铜制成，厚度为3-8mm。
电力电子技术-2.5_IGBT
6500V 600A
IC600A ,VGE15V:
4.2V 25 C, 5.5V125 C
o o
• tdon IC600A Vcc3000V 640ns / 570ns • tfon 270ns tdoff 1540ns / 1860ns • tfon 620ns / 960ns 耐压增加，管开通损耗显著增加；开关 时间也明显增加
IGBT的工作原理
驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断 由栅射极电压uGE决定。 导通：uGE 大于开启电压UGE(th) 时，MOSFET内形 成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压 降减小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT
发射极栅极 G E N+ N+ N+ N+ P P J3 J N 2 N+ J1 P+ C 集电极 a) C IC
漂移区 缓冲区 G 注入区
+ ID RN VJ1 - + + IDRon -
E b)
1-4
•寄生有基射短路的N-PN+晶体管 IGBT的结构 Q1。通常Q1始终截止。Q1导通将 产生挚住效应导致关断困难。过 IGBT＝MOSFET＋P＋N－P 高的dU晶体管Q2组合形成。 ce/dt可使Q1导通。现代产 G 品已可有效防止其导通。 E IGBT结构示意图
IGBT的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
• 当UCE<0时，IGBT处于方向阻断工作状态，在系统运行 中，IGBT处于开关状态，因而在正向阻断区和饱和区之 间来回转换。
电力电子半导体器件(IGBT)
c. 栅分布锁定：是因为绝缘栅旳电容效应，造成在开关过程中个别先开通或 后关断旳IGBT之中旳电流密度过大而形成局部锁定。
——采用多种工艺措施，能够提升锁定电流，克服因为锁定产生旳失效。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数旳关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT旳锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一种 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管构成。在NPN晶 体管旳基极与发射极之间并有一种体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区旳横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一种正偏置电压。在要求旳漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓旳擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高旳功耗，最终造成器件损坏。
在使用中为了防止IGBT发生擎住现象:
1．设计电路时应确保IGBT中旳电流不超出IDM值； 2．用加大门极电阻RG旳方法延长IGBT旳关断时间，减小重加
dVDS/d t。 3．器件制造厂家也在IGBT旳工艺与构造上想方设法尽量提
高IDM值，尽量防止产生擎住效应。
（四）安全工作区 1．FBSOA：IGBT开通时正向偏置安全工作区。
4．开关特征：
与功率MOSFET相比，IGBT 通态压降要小得多，1000V旳 IGBT约有2~5Ｖ旳通态压降。这 是因为IGBT中N－漂移区存在电 导调制效应旳缘故。
绝缘栅双极晶体管结构与工作原理解析
绝缘栅双极晶体管结构与工作原理解析
绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar TransistorIGBT）综合了电力晶体管（Giant TransistorGTR）和电力场效应晶体管（Power MOSFET）的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。
IGBT
的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的
区域。
多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照相机的频闪观测器、感应加热（InducTIonHeaTIng）电饭锅等领域。
根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO－3P到小型表面贴装都已形成系列。
另一种是把IGBT与FWD （FleeWheelDiode）成对地（2或6组）封装起来的模块型，主要应用在工业上。
模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。
MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）
数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时，
功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。
IGBT较低的压降，转换成一个低。
IT绝缘栅双极晶体管
❖ 开通延迟时间td(on) ： 10%IICC从M所10需%U时C间EM。到
❖ 电流上升时间tr ： 90%ICI从CM1所0%需I时CM间上。升至
❖ 开通时间ton ：
•
ton = td(on) + tr
图3.7.3 IGBT的开关特性
25.06.2020
✓ IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和 区和击穿区。
图3.7.2 IGBT的伏安特性和转移特性
25.06.2020
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当MOSFET的导电沟道充分 开启，IGBT的集电极电流主 要由钉二极管部份决定，其
通态伏安特性为指数函数， 而VMOS和GTR皆为线性关 系。因此，在同样的耐压下， 使用IGBT比使用VMOS和 GTR更容易通过较大电流， 获得更大的功率输出。如对 于600V等级的器件，IGBT能 够承受的最大电流密度一般 是VMOS的20倍，是GTR的5 倍左右。
1、基本结构
IGBT每个器 件单元实际 上就是 MOSFET和 双极晶体管 BJT的组合
集电极 C
铝栅结构IGBT
硅栅结构IGBT
MOSFET
• IGBT的构造和功率MOSFET的对比 如左图所示。IGBT是通过在功率 MOSFET的漏极上追加p+层而构成 的，从而具有以下特征。
• 1电压控制型元件
IGBT的伏安特性与GTR 类似，不同之处是，控 制参数是门源电压VGS， 而不是基极电流，伏安 特性分饱和区（Ⅰ）、 放大区（Ⅱ）和击穿区 （Ⅲ）。如果无N+缓冲 区，正反向阻断电压可 以做到同样水平，但加 入缓冲区，反向阻断电 压只有几十伏。
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IGBT的伏安特性
IGBT
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)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, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。
N+ 区称为漏区。
器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。
沟道在紧靠栅区边界形成。
在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。
而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。
附于漏注入区上的电极称为漏极。
IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。
反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。
IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。
IGBT 的工作特性包括静态和动态两类：1 ．静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
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1-6
2.4 绝缘栅双极晶体管
IGBT的关断过程
关断延迟时间td(off）
电流下降时间tf 关断时间toff 电流下降时间又可分为 tfi1 和tfi2两段。 tfi1——IGBT 器 件 内 部 的 MOSFET的关断过程，iC下 降较快。 tfi2——IGBT 内部的 PNP 晶 体管的关断过程，iC下降较 慢。
三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
发射极 栅极 G E N+ J3 P J2 J1 N+ NN+ P+ N+ P N+ 漂移区 缓冲区 注入区 E b) c) G + ID RN VJ1 + + IDRon C IC C G
C 集电极 a)
图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
3) IGBT的主要参数
(1) 最大集射极间电压UCES
——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。
(2) 最大集电极电流
——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。
(3) 最大集电极功耗PCM
——正常工作温度下允许的最大功耗 。
1-8
2.4 绝缘栅双极晶体管
IGBT的特性和参数特点可以总结如下：
——NPN晶体管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，相当于对J3结施加正偏压， 一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。
动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开 始逐渐解决。
2.4
绝缘栅双极晶体管
GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应， 通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻 抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。
两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件
1-4
2.4 绝缘栅双极晶体管
2) IGBT的基本特性
(1) IGBT的静态特性
IC IC 饱 和 区 有源区
输出特性
•分为三个区域： 正向阻断区、有 源区和饱和区。
UGE增加 UGE(th) UFM UCE b)
URM 反向阻断区 O UGE(th) a) UGE
正向阻断区
O
转移特性——IC与 UGE间的关系(开启电 图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性 压UGE(th))
开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。 通态压降比VDMOSFET低。 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。
与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进
一步提高，同时保持开关频率高的特点 。
1-9
2.4 绝缘栅双极晶体管
擎住效应或自锁效应：
绝缘栅双极晶体管（ Insulated-gate Bipolar Transistor—— IGBT或IGT)
GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
1-1
2.4 绝缘栅双极晶体管
1) IGBT的结构和工作原理
I CM t
d(off)
t tf t fi2 t
t fi1 10% I CM 0 U CE U t on
CEM
t off
t fv1
t fv2 U
CE(on)
tfv1——IGBT 中 MOSFET 单 独工作的电压下降过程；
tfv2——MOSFET 和 PNP 晶 体管同时工作的电压下降 过程。
O
t
图1-24 IGBT的开关过程
正偏安全工作区（FBSOA）
——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。
反向偏置安全工作区（RBSOA）
——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 duCE/dt确定。
IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模 块，成为逆导器件 。
1-10
2.4 绝缘栅双极晶体管
1-5
2.4 绝缘栅双极晶体管
(2) IGBT的动态特性
IGBT的开通过程
与MOSFET的相似
开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton uCE 的下降过程分为 tfv1 和 tfv2两段。
U GE 90% U 10% U
GEM
U
GEM
GEM
90% I CM
0 IC t d(on) tr
4) IGBT的驱动电路
IGBT是电压驱动型器件。
为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使IGBT开通的驱动电压一般15 ~ 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 ~ -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。
1-11
2.4 绝缘栅双极晶体管
5) IGBT的保护
过电压保护
措施：主要是利用缓冲电路抑制过电压的产生。
过电流保护
措施：主要是通过检出过电流信号后切断栅极控制信 号的办法来实现。
1-12
90% U 10% U U GE
GEM
U
GEM
GEM
90% I CM
0 IC t d(on) tr
I CM t
d(off)
t tf t fi2 t
t fi1 10% I CM 0 U CE U t on
CEM
t off
t fv1
t fv2 U
CE(on)
O
t
图1-24 IGBT的开关过程
1-7
2.4 绝缘栅双极晶体管
发射极 栅极 G E N+ J3 P J2 J1 N
+
N+ NN+ P+
P
N
+
漂移区 缓冲区 G 注入区
+ ID RN VJ1 + + IDRon E b)
C IC C G
C 集电极 a)
c)
图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c)体管
IGBT的原理
驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅 射极电压uGE决定。
导通： uGE 大于开启电压 UGE(th) 时， MOSFET 内形成沟道， 为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降：电导调制效应使电阻 RoN 减小，使通态压降减小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道 消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
1-2
2.4 绝缘栅双极晶体管
IGBT的结构
图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。 简化等效电路表明， IGBT 是 GTR 与 MOSFET 组成的达林顿结 构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。