【導(dǎo)讀】絕緣柵雙極晶體管(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)是一種三端功率半導(dǎo)體器件,主要用作電子開(kāi)關(guān),在較新的器件中以結(jié)合高效和快速開(kāi)關(guān)而聞名。IGBT通過(guò)在單個(gè)器件中組合用于控制輸入的隔離柵極FET和作為開(kāi)關(guān)的雙極功率晶體管,將MOSFET的簡(jiǎn)單柵極驅(qū)動(dòng)特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結(jié)合。IGBT用于中到大功率應(yīng)用,如開(kāi)關(guān)電源、牽引電機(jī)控制和感應(yīng)加熱。
圖1. IGBT 電路圖符號(hào)
01 IGBT特點(diǎn)
IGBT具有柵極、集電極、發(fā)射極3個(gè)引腳。柵極與MOSFET相同,集電極和發(fā)射極與雙極晶體管相同。IGBT與MOSFET一樣通過(guò)電壓控制端口,在N溝道型的情況下,對(duì)于發(fā)射極而言,在柵極施加正電壓時(shí),集電極-發(fā)射極導(dǎo)通,流過(guò)集電極電流。我們將另行介紹其工作和驅(qū)動(dòng)方法。
IGBT是結(jié)合了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點(diǎn)的晶體管。MOSFET由于柵極是隔離的,因此具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度較快的優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)是在高電壓時(shí)導(dǎo)通電阻較高。雙極晶體管即使在高電壓條件下導(dǎo)通電阻也很低,但存在輸入阻抗低和開(kāi)關(guān)速度慢的缺點(diǎn)。通過(guò)彌補(bǔ)這兩種器件各自的缺點(diǎn),IGBT成為一種具有高輸入阻抗、開(kāi)關(guān)速度快 (IGBT開(kāi)關(guān)速度比MOSFET慢,但仍比雙極晶體管快。) ,即使在高電壓條件下也能實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻的晶體管。
02 IGBT 的工作原理
當(dāng)向發(fā)射極施加正的集電極電壓VCE,同時(shí)向發(fā)射極施加正的柵極電壓VGE時(shí),IGBT便能導(dǎo)通,集電極和發(fā)射極導(dǎo)通,集電極電流IC流過(guò)。
圖2. IGBT近似的等效電路
IGBT的等效電路如上圖所示。當(dāng)柵極-發(fā)射極(G-E)和集電極-發(fā)射極(C-E)通路均發(fā)生正偏置時(shí),N溝道MOSFET導(dǎo)通,導(dǎo)致漏極電流流動(dòng)。該漏極電流也流向QPNP的基極并導(dǎo)致IGBT導(dǎo)通。由于QPNP的直流電流增益(α)非常小,因此幾乎整個(gè)發(fā)射極電流(IE(pnp))都作為基極電流(IB(pnp))流動(dòng)。但部分IE(pnp)會(huì)作為集電極電流(IC(pnp))流動(dòng)。IC(pnp)無(wú)法開(kāi)啟QNPN,因?yàn)樗@過(guò)了QNPN基極和發(fā)射極之間插入的RBE。
因此,IGBT的幾乎所有集電極電流都通過(guò)QPNP的發(fā)射極-基極通路作為N溝道MOSFET的漏極電流流動(dòng)。此時(shí),空穴從QPNP的發(fā)射極注入到N通道MOSFET的高電阻漂移層。這導(dǎo)致漂移層的電阻率(Rd(MOS))大大降低,從而降低了導(dǎo)通期間的導(dǎo)通電阻。這種現(xiàn)象稱(chēng)為電導(dǎo)率調(diào)制。
關(guān)閉柵極(G)信號(hào)會(huì)導(dǎo)致N溝道MOSFET關(guān)斷,從而導(dǎo)致IGBT關(guān)斷。
03 安全工作區(qū)
在IGBT的規(guī)格書(shū)中,可能會(huì)看到安全工作區(qū)(SOA, Safe Operating Area),例如ROHM的 RGS30TSX2DHR 如下圖所示。這個(gè)安全工作區(qū)是指什么?
圖3. Rohm的RGS30TSX2DHR 安全工作區(qū) (圖片來(lái)源ROHM)
IGBT 的安全工作區(qū)(SOA)是使IGBT在不發(fā)生自損壞或性能沒(méi)有下降的情況下的工作電流和電壓條件。實(shí)際上,不僅需要在安全工作區(qū)內(nèi)使用IGBT,還需對(duì)其所在區(qū)域?qū)嵤囟冉殿~。安全工作區(qū)分為正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA, Forward Bias Safe Operating Area)和反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA, Reverse Bias Safe Operating Area)。
3.1 正向偏置安全工作區(qū)
正向偏置安全工作區(qū)定義了IGBT導(dǎo)通期間的可用電流和電壓條件。
圖4. RGS30TSX2DHR 的正向偏置安全工作區(qū) (圖片來(lái)源ROHM)
上圖是RGS30TSX2DHR 的正向偏置安全工作區(qū),可以根據(jù)具體情況分為4個(gè)領(lǐng)域,如下所述:
1. 受集電極最大額定電流限制的區(qū)域
2. 受集電極耗散限制的區(qū)域
3. 受二次擊穿限制的區(qū)域 (該區(qū)域會(huì)因器件設(shè)計(jì)而有所不同)
4. 受集電極-發(fā)射極最大額定電壓限制的區(qū)域
3.2 反向偏置安全工作區(qū)
反向偏置安全工作區(qū)定義了IGBT關(guān)斷期間的可用電流和電壓條件。
圖5. RGS30TSX2DHR 的反向偏置安全工作區(qū) (圖片來(lái)源ROHM)
上圖是RGS30TSX2DHR 的反向偏置SOA可以簡(jiǎn)單分為2個(gè)有限區(qū)域,如下所述:
1. 受集電極最大額定電流值限制的區(qū)域
2. 受集電極-發(fā)射極最大額定電壓限制的區(qū)域。
請(qǐng)注意,當(dāng)設(shè)計(jì)的 VCE-IC工作軌跡偏離產(chǎn)品本身安全工作區(qū)時(shí),產(chǎn)品可能會(huì)發(fā)生出現(xiàn)意外故障。因此,在設(shè)計(jì)電路時(shí),在確定與擊穿容限相關(guān)的具體特性和電路常數(shù)時(shí),必須密切注意耗散和其他性能問(wèn)題。例如,反向偏置安全工作區(qū)具有溫度特性(在高溫下劣化),VCE-IC的工作軌跡根據(jù)柵極電阻Rg和柵極電壓VGE而變化。
因此,有必要在了解工作環(huán)境和關(guān)斷時(shí)的最小柵極電阻值后,才進(jìn)行Rg和 VGE設(shè)計(jì)。
04 不同類(lèi)型IGBT 產(chǎn)品
市場(chǎng)上有不同類(lèi)型的 IGBT 產(chǎn)品,我們可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況、安裝類(lèi)型(例如通孔、面板安裝或表面安裝)來(lái)挑選。
IGBT單管
將MOSFET的簡(jiǎn)單柵極驅(qū)動(dòng)特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結(jié)合。
圖6. IXYS 的IXYH16N170C
IGBT模塊
由IGBT與二極管通過(guò)特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品 。封裝后的IGBT模塊可以直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。
圖7.Infineon的 FZ800R12KE3
圖8. Infineon 的 IM241-L6T2B 智能功率模塊 (IPM)
總結(jié)
IGBT 是一種功率半導(dǎo)體器件,用于電子開(kāi)關(guān),控制和改變電流的大小頻率,是電能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用的核心芯片。由于篇幅有限,IGBT 涉及的技術(shù)內(nèi)容、應(yīng)用領(lǐng)域很廣,所以歡迎大家在文末交流分享,一起討論學(xué)習(xí)。
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