IGBT也就是絕緣柵雙極型晶體管，它是由BJT（雙極結(jié)型晶體三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件，作為能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷琁GBT被稱為電力電子裝置的“CPU”，IGBT產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，該器件在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣，關(guān)注CEIA，了解更多與半導體及半導體封裝相關(guān)的內(nèi)容。 大家好，我是來自華中科技大學電器與電子工程學院的陳宇老師。今天我們來學習絕緣門級雙極型晶體管，也就是我們常說的IGBT。 我們首先看一看IGBT的基本特性。 首先看看大家都很熟悉的電力晶體管BJT和MOS管它們的優(yōu)缺點，晶體管大家知道，導通壓降小，所以導通損耗小，所以我們很容易把功率容量做得很大，但是它的缺點也很明顯，它一個電流控制型的器件，驅(qū)動損耗大。 而另外一方面，MOS管剛好相反，它是一個電壓控制型的器件，所以開關(guān)損耗小，開關(guān)速度快，但是它的缺點是通過溝道導電的，所以說導通電阻大，導通損耗大、功率容量就做不到。 而我們這節(jié)課所學的IGBT剛好就組合了這兩者，變成了一個更有優(yōu)勢的器件。大家可以看到 IGBT的前面，控制部分，其實就是一個MOS管，而后面又極連著一個晶體管，這樣的結(jié)構(gòu)帶來了下面的特性。第一，它的驅(qū)動依然是一個電壓型的驅(qū)動，所以它的驅(qū)動功率小，電壓超過門檻電壓Vth就可以讓它驅(qū)動了。第二，當MOS管驅(qū)動之后，就會讓三極管產(chǎn)生一個基極電流，基極電流就可以讓整個晶體管開通。 當我們需要把 IGBT關(guān)斷的時候，我們就可以去掉MOS管的驅(qū)動電壓，那么三極管的基極電流也沒有了，整個器件就關(guān)斷了。 所以從這個工作特性大家可以看到，我們IGBT的符號也可以充分地表現(xiàn)這一點。大家看它的右邊，是一個三極管的符號，但是把控制的基極砍掉一部分，再接上一個MOS管它的控制的部分。大家注意三級管的這一豎和MOS管的這一豎是不相連接的，這意味著它們的驅(qū)動回流當中沒有電流流過，是隔離的。好，我們再來總結(jié)一下 IGBT它的優(yōu)缺點，第一，它是一個電壓控制型的驅(qū)動，開通、關(guān)斷所需的驅(qū)動損耗小。第二，它的通態(tài)壓降小，因為它本質(zhì)上主功率部分是一個晶體管BJT，所以說功率容量、耐壓等都容易做大。 中間的這兩個是它的中性的特點，它無所謂是一個缺點，也無所謂是一個優(yōu)點，視實際的應用場合。首先它是一個雙極性的器件，這意味著這兩端接正負是有區(qū)別的，而它的開關(guān)的速率處于BJT和P-MOSFET之間，因為本身它畢竟是一個晶體管，不是一個MOS管，所以它的開關(guān)頻率是要略低一點的。但是另外一方面，晶體管的基極又是受MOS管的控制的，所以說基極的控制能力會更強，所以它的開關(guān)速度又比普通的BJT要更快，但是它也有一個新的缺點叫擎住效應，擎住效應是怎么產(chǎn)生的呢？我們學習下面的一個小結(jié)就可以知道了。 接下來我們來看看 IGBT的工作原理。 像這樣一個IGBT，它的真實情況應該是怎么樣的？大家請注意，這里這個電阻是通過器件結(jié)構(gòu)設計的時候引入的本身的寄生的電阻，是用來實現(xiàn)一定的調(diào)制功能的，我們在這里暫時忽略它，那這樣一個結(jié)構(gòu)我們在實際當中是怎么做的呢？大家看，這是一個PNP型的三極管，上面是一個MOS管，現(xiàn)在我們需要把MOS管和PNP型的三級管極連在一起。 所以我們觀察一下這個結(jié)構(gòu)，我們可以首先把 這個N極挖出兩個槽來，然后再把 這個P極填進去。接下來我們對比一下，P、N和這個MOS管的P、N其實是一樣的，除了這里有一根線表征了這個MOS管在 N區(qū)需要有兩種不同的摻雜濃度，但是這個不是重點，我們在這里畫一根線，然后把整個東西拼下來。一個IGBT就做好了，它對應的就是這個的等效電路。 我們再看看IGBT做好之后帶來了什么新的問題，如果我們注意看，我們可以發(fā)現(xiàn)，這個三極管在哪里？在這個地方，但是另外一方面我們也可以發(fā)現(xiàn)，當這個結(jié)構(gòu)做好之后，我們自然的又引入了一個寄生的三極管，請大家注意，這個三極管，是我們所需要的主三極管，而接下來這個三極管是由于結(jié)構(gòu)做好了之后，自然引入了兩個三極管，一個是我們需要的，一個是這個結(jié)構(gòu)做好之后自然產(chǎn)生的，這兩個三極管都在等效電路圖上可以表征出來。 好，大家可以看一看，這個三級管的這個極和這個極，都通過這個電極連通在同一個點上，對應的就是電路圖中這個地方，其他的兩個極大家也可以一一核對一下，另外在分析這個結(jié)構(gòu)的時候，請大家注意，在分析這個結(jié)構(gòu)的時候，這個體區(qū)電阻也是不能忽略的，體區(qū)電阻主要是由載流子在半導體中間流動的時候受到的妨礙作用的等效的一個符號。 好，有了等效的電路，我們現(xiàn)在可以解釋我們的擎住效應是什么，大家注意看一下，這個電路有沒有覺得有一點眼熟，實際上這個就是我們上面的視頻里面所學過的晶閘管的等效電路。 所以整個事情可以這么說，當我們用一個MOS管和一個晶體管，組合成是一個IGBT的時候，它里面又偷偷躲著一個晶閘管，聽起來比較復雜，就由于晶閘管的存在，所以說產(chǎn)生了擎住效應，擎住效應是什么呢？當體區(qū)的電阻、電壓比較高的時候，就會使寄生的三極管的基極產(chǎn)生電流，基極產(chǎn)生電流，就會在這里產(chǎn)生一個更大的電流，這個電流又會引導出這里一個更大的電流，這個電流又會使這個電流進一步增大，整個過程正循環(huán)，這不就是一個晶閘管的開通過程嗎？并且大家要注意的是，這個開通過程一旦形成正循環(huán)，你的外部驅(qū)動電路就再也關(guān)不掉它了。 所以在IGBT正常工作的時候，我們需要避免擎住效應的產(chǎn)生，注意兩點就可以避免擎住效應的產(chǎn)生。第一個是不要讓IGBT流過太大的集電極電流，大家可以看到集電極電流越大，電阻上的壓降就越大，這個寄生二極管就越容易導通，就越容易產(chǎn)生正循環(huán)。所以我們的IGBT的流過的電流是有一個上限的。 另外一方面我們也需要注意到，晶體管內(nèi)部是有寄生電容的，而電容上流過電流的時候也會提供一個基極電流，讓正循環(huán)產(chǎn)生，那這個電容電流怎么來的呢？如果IGBT的C、E兩端的電壓產(chǎn)生劇烈的變化，那么中間的這個寄生電容的電壓也會跟著產(chǎn)生劇烈的變化，這個時候就有可能產(chǎn)生一個瞬間的脈沖的電容電流，有可能導致擎住效應的產(chǎn)生，這些情況在實際使用當中都需要避免。 最后我們來看看描述IGBT的兩條特性曲線。 第一條是轉(zhuǎn)移曲線，它是說在IGBT的C、E兩端加一個電壓，然后通過控制 G、E兩端的電壓去看看流過集電極的電流到底會產(chǎn)生怎樣的變化，橫軸是作用在 G、E兩端的電壓，縱軸是流過的電流，從這個圖我們可以看到，當驅(qū)動的電壓沒有到達一定的門檻值的時候，IGBT是不導通的，一旦超過這個門檻值，IGBT的電流就會呈指數(shù)形式地上升，并且上升得很快，最后表明它充分導通了，那這個特性，其實跟MOS管是差不多的。 IGBT的另外一條曲線就是輸出特性曲線，它的橫軸代表的是作用在IGBT兩端的電壓，縱軸是流過IGBT的電流，而上面的每一根曲線是代表不同驅(qū)動電壓情況之后有可能的取值。 這個圖怎么理解呢？我們可以結(jié)合一個外圍的電路進行理解，在這個圖里面，一個IGBT接在了一個電源和一個電阻上面，它想充當這個主功率回路的開關(guān)，我們可以想象，當IGBT作為一個理想的導線充分導通的時候，這兩點的電壓就為0，而流過它的電流就由整個外部電路的電壓除以電阻來決定，在這種情況之下就在圖里面的這一點（h），電壓為0，電流最大。 另外一個極端是IGBT完全地阻斷，那這個時候它相當于開路，兩端的電壓就是電源的電壓，而流過它的電流就為0，這個就在圖上的這一點（a）。這根紅色的曲線就表明了 IGBT的狀態(tài)，從一個極端變換到另外一個極端時候的整個可能的情況，而這兩個曲線的交點就是我們控制驅(qū)動電壓所得到的穩(wěn)定的工作點，舉個例子，如果我們的驅(qū)動電壓為0，在門檻電壓以下，那么 IGBT是阻斷的，沒有電流，電壓就是電源兩端的電壓，如果我們讓它剛好就是門檻電壓Vth，這個時候可以發(fā)現(xiàn)，有一定的電流了，但是這個電流是很小的，這意味著IGBT并沒有充分地導通。 如果我們把電壓提高到8伏，交點就跑到這，這意味著IGBT幾乎已經(jīng)充分導通了，因為電流已經(jīng)很大了，兩端的壓降已經(jīng)很小了，但實際上從這個曲線我們也可以看到，我們還可以進一步地把驅(qū)動電壓提高到10伏，因為這個時候，它的交點會進一步地前移，跑到這，這個時候是IGBT更充分導通的點。 從這個曲線也可以看到，如果我們再把驅(qū)動電壓變成12伏，就沒什么必要了，因為12伏的這個曲線和10伏的曲線，它的交點都在這，從這個分析我們可以看到，在設計IGBT的驅(qū)動電壓的時候，我們要綜合外部的電路的特性進行考慮，以便找到一個驅(qū)動電壓和外部電路運行良好的一個平衡點。 最后我們做一個簡單的小結(jié)，我們說IGBT它兼顧了BJT和MOSFET的優(yōu)點，但是IGBT內(nèi)部有一個寄生的三極管會產(chǎn)生擎住效應，在設計的時候需要注意。 第三個，在視頻里沒有明確說，但是大家可以回去思考一下，IGBT里面內(nèi)部是沒有寄生的反并聯(lián)二極管的，這跟MOS管不一樣，但是反并聯(lián)二極管在大多數(shù)電路當中是很有用的，正因為這個原因，生產(chǎn)廠商在生產(chǎn)IGBT的時候會把一個額外的二極管一起封裝進去，使得 IGBT看起來帶了一個反并聯(lián)的二極管，方便我們使用。好了，這節(jié)課就到這里，再見。
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