IGBT 工作特性

靜態特性
IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關(guan) 特性。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為(wei) 參變量時，漏極電流與(yu) 柵極電壓之間的關(guan) 係曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控製，Ugs 越高， Id 越大。它與(yu) GTR 的輸出特性相似．也可分為(wei) 飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態下的IGBT ，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+ 緩衝(chong) 區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩衝(chong) 區後，反向關(guan) 斷電壓隻能達到幾十伏水平，因此限製了IGBT 的某些應用範圍。

IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與(yu) 柵源電壓Ugs 之間的關(guan) 係曲線。它與(yu) MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小於(yu) 開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處於(yu) 關(guan) 斷狀態。在IGBT 導通後的大部分漏極電流範圍內(nei) ， Id 與(yu) Ugs呈線性關(guan) 係。最高柵源電壓受最大漏極電流限製，其最佳值一般取為(wei) 15V左右。

IGBT 的開關(guan) 特性是指漏極電流與(yu) 漏源電壓之間的關(guan) 係。IGBT 處於(yu) 導通態時，由於(yu) 它的PNP 晶體(ti) 管為(wei) 寬基區晶體(ti) 管，所以其B 值極低。盡管等效電路為(wei) 達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為(wei) IGBT 總電流的主要部分。
此時，通態電壓Uds(on) 可用下式表示
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為(wei) 0.7 ～1V ；Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。

通態電流Ids 可用下式表示：
Ids=(1+Bpnp)Imos
式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

由於(yu) N+ 區存在電導調製效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為(wei) 2 ～ 3V 。IGBT 處於(yu) 斷態時，隻有很小的泄漏電流存在。

動態特性
IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為(wei) MOSFET 來運行的，隻是在漏源電壓Uds 下降過程後期， PNP 晶體(ti) 管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為(wei) 開通延遲時間， tri 為(wei) 電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為(wei) td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。

IGBT的觸發和關(guan) 斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產(chan) 生。當選擇這些驅動電路時，必須基於(yu) 以下的參數來進行：器件關(guan) 斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為(wei) IGBT柵極- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由於(yu) IGBT的輸入電容較MOSFET為(wei) 大，故IGBT的關(guan) 斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

IGBT在關(guan) 斷過程中，漏極電流的波形變為(wei) 兩(liang) 段。因為(wei) MOSFET關(guan) 斷後，PNP晶體(ti) 管的存儲(chu) 電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為(wei) 關(guan) 斷延遲時間，trv為(wei) 電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩(liang) 段組成，而漏極電流的關(guan) 斷時間
t(off)=td(off)+trv十t(f)
式中，td(off)與(yu) trv之和又稱為(wei) 存儲(chu) 時間。

IGBT的開關(guan) 速度低於(yu) MOSFET，但明顯高於(yu) GTR。IGBT在關(guan) 斷時不需要負柵壓來減少關(guan) 斷時間，但關(guan) 斷時間隨柵極和發射極並聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求；高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上，目前隻能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研製出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產(chan) 的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際應用，日本東(dong) 芝也已涉足該領域。與(yu) 此同時，各大半導體(ti) 生產(chan) 廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要采用1um以下製作工藝，研製開發取得一些新進展。

輸出特性與(yu) 轉移特性

IGBT與(yu) MOSFET的對比：
MOSFET全稱功率場效應晶體(ti) 管。它的三個(ge) 極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。

主要優(you) 點：熱穩定性好、安全工作區大。
缺點：擊穿電壓低，工作電流小。
IGBT全稱絕緣柵雙極晶體(ti) 管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相結合的產(chan) 物。它的三個(ge) 極分別是集電極(C)、發射極(E)和柵極(G)。
特點：擊穿電壓可達1200V，集電極最大飽和電流已超過1500A。由IGBT作為(wei) 逆變器件的變頻器的容量達250kVA以上，工作頻率可達20kHz。

IGBT 導通與(yu) 關(guan) 斷

導通
IGBT矽片的結構與(yu) 功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個(ge) N+ 緩衝(chong) 層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個(ge) 部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個(ge) MOSFET驅動兩(liang) 個(ge) 雙極器件。基片的應用在管體(ti) 的P+和 N+ 區之間創建了一個(ge) J1結。 當正柵偏壓使柵極下麵反演P基區時，一個(ge) N溝道形成，同時出現一個(ge) 電子流，並完全按照功率 MOSFET的方式產(chan) 生一股電流。如果這個(ge) 電子流產(chan) 生的電壓在0.7V範圍內(nei) ，那麽(me) ，J1將處於(yu) 正向偏壓，一些空穴注入N-區內(nei) ，並調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，並啟動了第二個(ge) 電荷流。最後的結果是，在半導體(ti) 層次內(nei) 臨(lin) 時出現兩(liang) 種不同的電流拓撲：一個(ge) 電子流(MOSFET 電流)； 空穴電流(雙極)。

關(guan) 斷
當在柵極施加一個(ge) 負偏壓或柵壓低於(yu) 門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內(nei) 。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guan) 階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為(wei) 換向開始後，在N層內(nei) 還存在少數的載流子(少子)。這種殘餘(yu) 電流值(尾流)的降低，完全取決(jue) 於(yu) 關(guan) 斷時電荷的密度，而密度又與(yu) 幾種因素有關(guan) ，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。

鑒於(yu) 尾流與(yu) 少子的重組有關(guan) ，尾流的電流值應與(yu) 芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guan) 的空穴移動性有密切的關(guan) 係。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。