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IGBT
的工作原理和工作特性
IGBT
的工作原理和工作特性
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，
流过反向基极电流，
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
MOS
FET
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
< br>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。输出漏极电流比受栅源电压
Ugs
的控制，
Ugs
越高，
Id
越大。它与
GTR
的输出特性相似．也
可分为饱和区
1
、放大区
2
和击穿特性
3
部分。在截止状态下的
IGBT
，
正向电压由
J2
结承担，反向电压由
J
1
结承担。
如果无
N+
缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入
N+
缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限
制了
I
GBT
的某些应用范围。
IGBT
的转移特性是指输出漏极电流
Id
与栅源电压
< br>Ugs
之间的关系曲线。它与
MOSFET
的转移特性相同，当栅源电
压小于开启电压
Ugs(
th)
时，
IGBT
处于关断状态。在
IGBT
导通后的大部分漏极电流范围内，
Id
与
Ugs
呈线性关系。最高<
/p>
栅源电压受最大漏极电流限制，
其最佳值一般取为
15V
左右。
IGBT
的开关
特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。
IGBT
处于导通态
时，由于它的
PNP
晶体管为宽基区晶体管，所以其
B
值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过
M
OSFET
的
电流成为
IGBT
总电流的主要部分。此时，通态电压
Uds(on)
< br>可用下式表示
:
Uds(on)
＝
Uj1
＋
Udr
< br>＋
IdRoh
（
2
－
14
）
式中
Uj
1
——
JI
结的正向电压，其值为
0.7
～
IV
；<
/p>
Udr
——扩展电阻
Rdr
上的压降；
Roh
——沟道电阻。
通态电流
Ids
可用下式
表示：
Ids=(1+Bpnp)Imos
(2
－
15
）
式中
Imos
——流过
MOSFET
的电流。
由于
N+
区存在电导调制效应，所以
IGBT<
/p>
的通态压降小，耐压
1000V
的
IGBT
通态压降为
2
～
3V
。
IGBT
< br>处于断态时，只有
很小的泄漏电流存在。
2
．动态特性
IGBT
在开通过程中，大部分时间是作为
MOSFET
来运行的，只是在漏源电压
Uds
下降过程
后期，
PNP
晶体管由放大区至饱
和，
又增加了一段延迟时间。
td(on)
为开通延迟时间，
tri
为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间
ton
即为
td(on)tri
之和。漏源电压的下降时间由
tfe1
和
tfe2
组成，如图
2
－
58
所示
IGBT
的工作原理和工作特性
IGBT
在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为
MOSFET
关断后，
PNP
晶体管的存储电荷
难以迅速消除，造成
漏极电流较长的尾部时间，
td(off)
为关断延迟时间，
trv
为电压
Uds(f)
的上升时间。
实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间
Tf
由图
2
－
59
中的
t(f1)
和
t(f2)
两段组成，而漏极电流的关断时间
t(off)=td(off)+trv + t(f)
（
2
－
16
）
式中，
td(off)
与
trv
之和又称为存储时间。
IGBT
的基本结构
绝缘栅双极晶体管（
IGBT
）本质上是一个场效应晶
体管，只是在漏极和漏区之间多了
一个
P
< br>型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的
相
应命名。
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
IGBT
的工作原理和工作特性
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。
为了兼顾长期以来人们的习惯，
IE
C
规定：源极引出的电极端子（含电极端）称为发
射极端（子）
，漏极引出的电极端（子）称为集电极端（子）。这又回到双极晶体管的术
语了。但仅此
而已。
IGBT
< br>的结构剖面图如图
2
所示。它在结构上类似于
MOSFET
，其不同点在于
IGBT
是
在
N
沟道功率
MOSFET
的
N+
基板（漏极）上增加了一个
P+
基板（
IGBT
的集电极），形成<
/p>
PN
结
j1
，
并由此引出漏极、栅极和源极则完全与
MOSFET
相似。
图
1
N
沟道
IGBT
结构
图
2
IGBT
的结构剖面图
由图
2
可以看出，
IGBT
相当于一个由
MOSFET
驱动的厚基区
GTR
，其简化等效电路如
图
3<
/p>
所示。图中
Rdr
是厚基区
GTR
的扩展电阻。
IGBT
是以
GTR
为主导件、
MOSFET
为驱动
件的复合结构。
N
沟道
IG
BT
的图形符号有两种，如图
4
所示。
实际应用时，常使用图
2
－
5
所示的符
号。对于
P
沟
道，图形符号中的箭头方向恰好相反，如图
4
所示。
IGBT
的工作原理和工作特性
IGBT
的开通和关断是由栅极电压来控制的。
当栅极加正电压时，
MOSFET
内形成沟道，<
/p>
并为
PNP
晶体管提供基极电流，从而使
IGBT
导通，此时，从
P+
区注到
N
一区进行电导调
制，
减少
N
一区的电阻
Rdr
值，
使高耐压的
IGBT
也具有低的通态压降。
在栅极上加负电
压时，
MOSFET
内的沟道消失，
PNP
晶体管的基极电流被切断，
IGBT
即关断。
正是由于
IGBT
是在
N
沟道
MOSFET
的
N+
基板上加一层
P+
基板，形成了四
层结
构，
由
PNP
－
NPN
晶体管构成
IGBT
。
但是，
NPN
晶体管和发射极由于铝电极短路，
设计时
尽可能使
NPN
不起作用。所以说，
IGBT
的基本工作与
NPN
晶体管无关，可以认为是将
N
沟道
MOSFET
作为输入极，
PNP
晶体管作为输出极的单向达
林顿管。
采取这样的结构可在
N
一层作电导率调制，提高电流密度。这是因
为从
P+
基板经
过
N+
层向高电阻的
N
一层注入少量载流子的结果。
IGBT
的设计是通过
PNP
－
NPN
晶体
管的连接形成晶闸管。
模块的术语及其特性术语说明
术语
符号
定义及说明（测定条件参改说明书）
栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最大电压
集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大电压
集电极、发射极间电压
V
CES
栅极发极间电压
V
GES
IGBT
的工作原理和工作特性
集电极电流
I
C
P
C
T
j
集电极所允许的最大直流电流
单个
IGBT
所允许的最大耗散功率
元件连续工作时芯片温厦
耗散功率
结温
栅极、发射极间短路，在集电
极、发射极间加上指定
关断电流
I
CES
的电压时的集电极电流。
集电极、发
射极间短路，在栅极、集电极间加上指定的电压
时的栅极漏电流
漏电流
I
GES
在指定的集电极电流和栅极电压的情况下，集电极、
饱和压降<
/p>
V
CE(sat)
发射极间的电压。
C
lss
集电极、发射极间处于交流短路状态，在栅极、发射极间及
集电
极、发射极间加上指定电压时，栅极、发射极间的电容
输入电容
模块使用上的注意事项
1.
IGBT
模块的选定
在使用
IGBT
模块的场合，
选择何种电压，
电流规格的
IGBT
模块，
需要做周密的考虑。
a.
电流规格
IGBT
< br>模块的集电极电流增大时，
V
CE(-)
上升，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损
耗增大，
原件发热加剧。
因此，
根据额定损耗，
开关损耗所产生的热量，
控制器件结温
（
T
j
）
在
150
C
以下（通常为安全起见，以
1
25
C
以下为宜），请使用这时的集电流以下为宜。
特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热也加剧，需十分注意。
一般来说，要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用，从经济角度这是值得
推荐的。
b.
电压规格
o
o
IGB
T
的工作原理和工作特性
IGBT<
/p>
模块的电压规格与所使用装置的输入电源即市电电源电压紧密相关。
其相互关系
列于表
1
。根据使用目的
，并参考本表，请选择相应的元件。
元器件电压规格
600V
电源
200V
；
220V
；
230V
；
240V
电压
2.
防止静电
1200V
1400V
346V
；
350V
；
380V
；
400V
；
415
V
；
440V
575V
IGBT
< br>的
V
GE
的耐压值为±20V，
在
IGBT
模块上加出了超出耐压值的电压的场合，由于
会导致损坏的危险，因而在栅极
-
发射极之间
不能超出耐压值的电压，这点请注意。
在使用装置的场合，如
果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时（珊极处于开
路状态），若在主回路上加
上电压，则
IGBT
就会损坏，为防止这类损坏情况发生，应在
栅极一发射极之间接一只
10kΩ
左左
的电阻为宜。
此外，由于
IGBT<
/p>
模块为
MOS
结构，对于静电就要十分注
意。因此，请注意下面几点：
1)
在使用模块时，手持分装件时，请勿触摸驱动端子部份。
2)
在用导电材料连接驱
动端子的模块时，在配线未布好之前，请先不要接上模块。
3)
尽量在底板良好接地的情况下操作。
4)
当必须要触摸模块端
子时，要先将人体或衣服上的静电放电后，再触摸。
5)
在焊接作业时，焊机
与焊槽之间的漏泄容易引起静电压的产生，为了防止静电的产生，请先
将焊机处于良好的
接地状态下。
6)
装部件的容器，请选用不带静电的容器。
3.
并联问题
用于大容量逆变器等控制大电流场合使用
IGBT
模块时，可
以使用多个器件并联。
并联时，要使每个器件流过均等的电流
是非常重要的，如果一旦电流平衡达到破坏，
那么电过于集中的那个器件将可能被损坏。
IGBT
的工作原理和工作特性
为使并
联时电流能平衡，适当改变器件的特性及接线方法。例如。挑选器
件的
< br>V
CE(sat)
相同的并联是很重要的。
4.
其他注意事项
1)
保存半导体原件的场
所的温度，温度，应保持在常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定
为
5
－35℃，常湿的规定为
45
—
75
％左右。
2)
开、关时的浪涌电压等的测定，请在端子处测定。
实验目的
1
．熟悉
IGBT
主要参数与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
．
IGBT
主要参数测试。
2
．
EXB840
性能测试。
3
．
IGBT
开关特性测试。
4
．过流保护性能测试。
IGBT
的工作原理和工作特性
三、实验设备和仪器
1
．
MCL
系列教学实验台主控制屏
< br>
2
．
MC
L
—
07
电力电子实验箱中的
IGBT
与
PWM
波形
发生器部分。
3
．万用表二块
4
．双踪示波器。
四、实验线路
见图
< br>5
—
1
。
五、实验方法
1
．<
/p>
IGBT
主要参数测试
（
1
）开启阀值电压
V
GS
（
th
）
测试
在主回路的“1”端与
IGBT
的“18”端之间串入毫安表，将主回路的“3”与“4”端分别与<
/p>
IGBT
管的“14”与“17”端相连，
再在“14”与“17”端间接入电压表，并将主回路电位器
RP
左旋到底。将电位器
RP
逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安
表，当漏极电
流
I
D
< br>=1mA
时的栅源电压值即为开启阀值电压
V
GS
（
th
）
。
读取
6
—
7
< br>组
I
D
、
Vgs
，其中
I
D
< br>=1mA
必测，填入表
5
—
1
。
表
5
—
1 <
/p>
I
D
（
mA
）
Vgs
（
V
）
1
（
2
）跨导
g
FS
测试
在主回
路的“2”端与
IGBT
的“18”端串入安培表，将
RP
左旋到底，其余接线同上。
将
RP
逐渐向右旋转，读取
I
D
与对应的
V
GS
值，测量
5
—
< br>6
组数据，填入表
5
—
2
。
表
5
—
2 <
/p>
I
D
（
mA
）
Vgs
（
V
）
1
-
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