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(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)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(guó)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(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣，關(guān)注CEIA，了解更多與半導(dǎo)體及半導(dǎo)體封裝相關(guān)的內(nèi)容。 大家好，我是來自華中科技大學(xué)電器與電子工程學(xué)院的陳宇老師。今天我們來學(xué)習(xí)絕緣門級(jí)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(diǎn)，晶體管大家知道，導(dǎo)通壓降小，所以導(dǎo)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(diǎn)也很明顯，它一個(gè)電流控制型的器件，驅(qū)動(dòng)損耗大。 而另外一方面，MOS管剛好相反，它是一個(gè)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(diǎn)是通過溝道導(dǎo)電的，所以說導(dǎo)通電阻大，導(dǎo)通損耗大、功率容量就做不到。 而我們這節(jié)課所學(xué)的IGBT剛好就組合了這兩者，變成了一個(gè)更有優(yōu)勢(shì)的器件。大家可以看到 IGBT的前面，控制部分，其實(shí)就是一個(gè)MOS管，而后面又極連著一個(gè)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(dòng)依然是一個(gè)電壓型的驅(qū)動(dòng)，所以它的驅(qū)動(dòng)功率小，電壓超過門檻電壓Vth就可以讓它驅(qū)動(dòng)了。第二，當(dāng)MOS管驅(qū)動(dòng)之后，就會(huì)讓三極管產(chǎn)生一個(gè)基極電流，基極電流就可以讓整個(gè)晶體管開通。 當(dāng)我們需要把 IGBT關(guān)斷的時(shí)候，我們就可以去掉MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓，那么三極管的基極電流也沒有了，整個(gè)器件就關(guān)斷了。 所以從這個(gè)工作特性大家可以看到，我們IGBT的符號(hào)也可以充分地表現(xiàn)這一點(diǎn)。大家看它的右邊，是一個(gè)三極管的符號(hào)，但是把控制的基極砍掉一部分，再接上一個(gè)MOS管它的控制的部分。大家注意三級(jí)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(dòng)回流當(dāng)中沒有電流流過，是隔離的。好，我們?cè)賮砜偨Y(jié)一下 IGBT它的優(yōu)缺點(diǎn)，第一，它是一個(gè)電壓控制型的驅(qū)動(dòng)，開通、關(guān)斷所需的驅(qū)動(dòng)損耗小。第二，它的通態(tài)壓降小，因?yàn)樗举|(zhì)上主功率部分是一個(gè)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(gè)是它的中性的特點(diǎn)，它無所謂是一個(gè)缺點(diǎn)，也無所謂是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，視實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合。首先它是一個(gè)雙極性的器件，這意味著這兩端接正負(fù)是有區(qū)別的，而它的開關(guān)的速率處于BJT和P-MOSFET之間，因?yàn)楸旧硭吘故且粋€(gè)晶體管，不是一個(gè)MOS管，所以它的開關(guān)頻率是要略低一點(diǎn)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(huì)更強(qiáng)，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(gè)新的缺點(diǎn)叫擎住效應(yīng)，擎住效應(yīng)是怎么產(chǎn)生的呢？我們學(xué)習(xí)下面的一個(gè)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(gè)IGBT，它的真實(shí)情況應(yīng)該是怎么樣的？大家請(qǐng)注意，這里這個(gè)電阻是通過器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候引入的本身的寄生的電阻，是用來實(shí)現(xiàn)一定的調(diào)制功能的，我們?cè)谶@里暫時(shí)忽略它，那這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)我們?cè)趯?shí)際當(dāng)中是怎么做的呢？大家看，這是一個(gè)PNP型的三極管，上面是一個(gè)MOS管，現(xiàn)在我們需要把MOS管和PNP型的三級(jí)管極連在一起。 所以我們觀察一下這個(gè)結(jié)構(gòu)，我們可以首先把 這個(gè)N極挖出兩個(gè)槽來，然后再把 這個(gè)P極填進(jìn)去。接下來我們對(duì)比一下，P、N和這個(gè)MOS管的P、N其實(shí)是一樣的，除了這里有一根線表征了這個(gè)MOS管在 N區(qū)需要有兩種不同的摻雜濃度，但是這個(gè)不是重點(diǎn)，我們?cè)谶@里畫一根線，然后把整個(gè)東西拼下來。一個(gè)IGBT就做好了，它對(duì)應(yīng)的就是這個(gè)的等效電路。 我們?cè)倏纯碔GBT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(gè)三極管在哪里？在這個(gè)地方，但是另外一方面我們也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這個(gè)結(jié)構(gòu)做好之后，我們自然的又引入了一個(gè)寄生的三極管，請(qǐng)大家注意，這個(gè)三極管，是我們所需要的主三極管，而接下來這個(gè)三極管是由于結(jié)構(gòu)做好了之后，自然引入了兩個(gè)三極管，一個(gè)是我們需要的，一個(gè)是這個(gè)結(jié)構(gòu)做好之后自然產(chǎn)生的，這兩個(gè)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(gè)三級(jí)管的這個(gè)極和這個(gè)極，都通過這個(gè)電極連通在同一個(gè)點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)的就是電路圖中這個(gè)地方，其他的兩個(gè)極大家也可以一一核對(duì)一下，另外在分析這個(gè)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，請(qǐng)大家注意，在分析這個(gè)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，這個(gè)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(dǎo)體中間流動(dòng)的時(shí)候受到的妨礙作用的等效的一個(gè)符號(hào)。 好，有了等效的電路，我們現(xiàn)在可以解釋我們的擎住效應(yīng)是什么，大家注意看一下，這個(gè)電路有沒有覺得有一點(diǎn)眼熟，實(shí)際上這個(gè)就是我們上面的視頻里面所學(xué)過的晶閘管的等效電路。 所以整個(gè)事情可以這么說，當(dāng)我們用一個(gè)MOS管和一個(gè)晶體管，組合成是一個(gè)IGBT的時(shí)候，它里面又偷偷躲著一個(gè)晶閘管，聽起來比較復(fù)雜，就由于晶閘管的存在，所以說產(chǎn)生了擎住效應(yīng)，擎住效應(yīng)是什么呢？當(dāng)體區(qū)的電阻、電壓比較高的時(shí)候，就會(huì)使寄生的三極管的基極產(chǎn)生電流，基極產(chǎn)生電流，就會(huì)在這里產(chǎn)生一個(gè)更大的電流，這個(gè)電流又會(huì)引導(dǎo)出這里一個(gè)更大的電流，這個(gè)電流又會(huì)使這個(gè)電流進(jìn)一步增大，整個(gè)過程正循環(huán)，這不就是一個(gè)晶閘管的開通過程嗎？并且大家要注意的是，這個(gè)開通過程一旦形成正循環(huán)，你的外部驅(qū)動(dòng)電路就再也關(guān)不掉它了。 所以在IGBT正常工作的時(shí)候，我們需要避免擎住效應(yīng)的產(chǎn)生，注意兩點(diǎn)就可以避免擎住效應(yīng)的產(chǎn)生。第一個(gè)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(gè)寄生二極管就越容易導(dǎo)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(gè)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(shí)候也會(huì)提供一個(gè)基極電流，讓正循環(huán)產(chǎn)生，那這個(gè)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(gè)寄生電容的電壓也會(huì)跟著產(chǎn)生劇烈的變化，這個(gè)時(shí)候就有可能產(chǎn)生一個(gè)瞬間的脈沖的電容電流，有可能導(dǎo)致擎住效應(yīng)的產(chǎn)生，這些情況在實(shí)際使用當(dāng)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(gè)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(huì)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(gè)圖我們可以看到，當(dāng)驅(qū)動(dòng)的電壓沒有到達(dá)一定的門檻值的時(shí)候，IGBT是不導(dǎo)通的，一旦超過這個(gè)門檻值，IGBT的電流就會(huì)呈指數(shù)形式地上升，并且上升得很快，最后表明它充分導(dǎo)通了，那這個(gè)特性，其實(shí)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(dòng)電壓情況之后有可能的取值。 這個(gè)圖怎么理解呢？我們可以結(jié)合一個(gè)外圍的電路進(jìn)行理解，在這個(gè)圖里面，一個(gè)IGBT接在了一個(gè)電源和一個(gè)電阻上面，它想充當(dāng)這個(gè)主功率回路的開關(guān)，我們可以想象，當(dāng)IGBT作為一個(gè)理想的導(dǎo)線充分導(dǎo)通的時(shí)候，這兩點(diǎn)的電壓就為0，而流過它的電流就由整個(gè)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(diǎn)（h），電壓為0，電流最大。 另外一個(gè)極端是IGBT完全地阻斷，那這個(gè)時(shí)候它相當(dāng)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(gè)就在圖上的這一點(diǎn)（a）。這根紅色的曲線就表明了 IGBT的狀態(tài)，從一個(gè)極端變換到另外一個(gè)極端時(shí)候的整個(gè)可能的情況，而這兩個(gè)曲線的交點(diǎn)就是我們控制驅(qū)動(dòng)電壓所得到的穩(wěn)定的工作點(diǎn)，舉個(gè)例子，如果我們的驅(qū)動(dòng)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(gè)時(shí)候可以發(fā)現(xiàn)，有一定的電流了，但是這個(gè)電流是很小的，這意味著IGBT并沒有充分地導(dǎo)通。 如果我們把電壓提高到8伏，交點(diǎn)就跑到這，這意味著IGBT幾乎已經(jīng)充分導(dǎo)通了，因?yàn)殡娏饕呀?jīng)很大了，兩端的壓降已經(jīng)很小了，但實(shí)際上從這個(gè)曲線我們也可以看到，我們還可以進(jìn)一步地把驅(qū)動(dòng)電壓提高到10伏，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候，它的交點(diǎn)會(huì)進(jìn)一步地前移，跑到這，這個(gè)時(shí)候是IGBT更充分導(dǎo)通的點(diǎn)。 從這個(gè)曲線也可以看到，如果我們?cè)侔羊?qū)動(dòng)電壓變成12伏，就沒什么必要了，因?yàn)?2伏的這個(gè)曲線和10伏的曲線，它的交點(diǎn)都在這，從這個(gè)分析我們可以看到，在設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓的時(shí)候，我們要綜合外部的電路的特性進(jìn)行考慮，以便找到一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓和外部電路運(yùn)行良好的一個(gè)平衡點(diǎn)。 最后我們做一個(gè)簡(jiǎn)單的小結(jié)，我們說IGBT它兼顧了BJT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，但是IGBT內(nèi)部有一個(gè)寄生的三極管會(huì)產(chǎn)生擎住效應(yīng)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要注意。 第三個(gè)，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(dāng)中是很有用的，正因?yàn)檫@個(gè)原因，生產(chǎn)廠商在生產(chǎn)IGBT的時(shí)候會(huì)把一個(gè)額外的二極管一起封裝進(jìn)去，使得 IGBT看起來帶了一個(gè)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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