探究絕緣柵雙極晶體管的原理及應(yīng)用

秦慧嫻

【摘 要】 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是近十多年來為適應(yīng)電力電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型器件。是整機(jī)系統(tǒng)提高性能指標(biāo)和節(jié)能指標(biāo)的首選產(chǎn)品 。它集高頻率 、高電壓、大電流等優(yōu)點(diǎn)于一身 ， 是國際上公認(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命的最具代表性的產(chǎn)品 。本文著重介紹它的結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理、靜態(tài)特性、動態(tài)特性以及主要參數(shù)，為使用該類器件奠定基礎(chǔ)IGBT是上世紀(jì)80年代初研制成功，并在其性能上，經(jīng)過幾年的不斷提高和改進(jìn)，以成熟的應(yīng)用于高頻大功率領(lǐng)域。因此本文還介紹了IGBT國內(nèi)外發(fā)展簡況，將詳細(xì)地說明了IGBT的重要特性及其應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)，列出了在家用電器、電焊機(jī)、電動機(jī)等方面應(yīng)用的一些基本電路。

【關(guān)鍵詞】 絕緣柵雙極晶體管 等效電路 靜態(tài)特性 動態(tài)特性

一、 IGBT的結(jié)構(gòu)和原理

絕緣柵雙極晶體管是一種新型的電力半導(dǎo)體器件，它既具有功率場效應(yīng)晶體、管高速、高輸入阻抗的特性，又具有雙極達(dá)林頓 晶體管飽和電壓低、電流大、反壓高的特性[2]。這種器件在1982年由美國RCA與G E公司試制成功，后經(jīng)美國IR 公司、歐洲 S G S公司和菲利浦公司、日本東芝 、富士電機(jī) 、 日立 公司等的改進(jìn)，于80年代末實(shí)現(xiàn)了商品化，自此其應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，在電力電子技術(shù)中扮演了重要角色。

1.1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理

它是在功率MOSFET的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，他與功率MOSFET不同之處在與多了一個(gè)p+發(fā)射區(qū)，由該區(qū)引出IGBT的漏極（或稱集電極），這樣IGBT就比MOSFET多了一個(gè)PN結(jié)。IGBT的柵極和源極的引出處與功率MOSFET相同。從IGBT的結(jié)構(gòu)可相應(yīng)得出它的等效電路，由于非對稱型IGBT加入的N+區(qū)緊靠N-區(qū)都是N區(qū)，只是參雜濃度不同，所以兩種不同類型的IGBT其等效電路是相同的。它們都由三個(gè)結(jié)，半導(dǎo)體類型的層次也相同。

IGBT既然是以MOSFET為驅(qū)動元件和雙極晶體管為主導(dǎo)元件的復(fù)合器件，它的開通、關(guān)斷就必然與MOSFET相同，是由柵極電壓來控制的。柵極加正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道并為雙極晶體管提供基極電流，進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通，此時(shí)從發(fā)射區(qū)注入到N-區(qū)的空穴對N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N-漂移區(qū)的電阻RMOD。使高耐壓的IGBT也具有低導(dǎo)通電壓特性。IGBT柵極上施加負(fù)電壓時(shí)，MOSFET的溝道消失，PNP晶體管被切斷，IGBT即處于關(guān)斷狀態(tài)。由此可見，IGBT的驅(qū)動原理與MOSFET管基本相同。由于等效雙極晶體管是IGBT的主導(dǎo)元件，因此IGBT具有大電流傳輸能力。

二、 IGBT的特性

IGBT的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET極為相似，所不同的是前者先用p+作襯底，然后再上面生長n+，n-型漂移層，再使用與后者相似工藝在漂移層上制作功率MOSFET。IGBT能用非常高的輸入阻抗來進(jìn)行電壓控制，且具有高的正向?qū)娏髅芏?。另外，還發(fā)現(xiàn)IGBT的導(dǎo)通態(tài)電壓降隨溫度的增加而增大，這樣就允許器件并聯(lián)，并使在每個(gè)器件中有良好的電流分布。

三、 IGBT應(yīng)用及其發(fā)展

IGBT是上世紀(jì)80年代初研制成功，并在其性能上，經(jīng)過幾年的不斷提高和改進(jìn)。已成熟地應(yīng)用于高頻大功率領(lǐng)域。它將MOSFET的電壓控制、控制功率小、易于并聯(lián)、開關(guān)速度高的特點(diǎn)和雙極晶體管的電流密度大、電流處理能力強(qiáng)、飽和壓降低的特點(diǎn)集于一身，表現(xiàn)出高的特點(diǎn)和雙極晶體管的電流密度大、電流處理能力強(qiáng)、大電流、高頻率等優(yōu)越的綜合性能[1-4]。IGBT主要用于逆變器、低噪音電源、UPS不間斷電源以及電動機(jī)變頻調(diào)速等領(lǐng)域。IBGT的用途非常廣泛，小到變頻空調(diào)、靜音冰箱、洗衣機(jī)、電磁爐、微波爐等家用電器。大到電力機(jī)車牽引系統(tǒng)都離不開它。IGBT在軍事機(jī)載、靚載、雷達(dá)等隨動系統(tǒng)中也有廣泛的用途，目前，國內(nèi)IGBT產(chǎn)品依賴進(jìn)口。國外IGBT產(chǎn)品已大量生產(chǎn)。而國內(nèi)IGBT還處于研制階段。與國外相比，IGBT的制造工藝技術(shù)至少落后十年，IGBT的國產(chǎn)化形勢相當(dāng)緊迫。因此，開展IBGT的研發(fā)工作對我國國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義[5]。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 李恩玲，周如培. IGBT的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].半導(dǎo)體雜志 1998 23（3）：48-51.

[2] 華偉. 功率MOS器件的結(jié)構(gòu)和性能[J]. 通信電源技術(shù). 2001 9（3）：21-24.

[3] Hefner A R：An Investigation of the Drive Circuit Requirements for the Power IGBT. IEEE Trans. On Power Elec： 1991.6（2）：208～219.

[4] 陳漪漣. GTO逆變器與IGBT逆變器的應(yīng)用于研究. 2002.

[5] Thiyagarajah K： A High Switching Frequency IGBT PWM Rectifier/Inverter System for AC Motor Drive Operating from Single Phase Supply.IEEE Trans. On Power Elec： 1991.6（4）：576～584.