[科普中国]-绝缘栅双极型晶体管

绝缘栅双极型晶体管是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

IGBT原理及等效电路IGBT管的开通和关断是由栅极电压来控制的，IGBT管的等效电路如图1所示。由图1可知，当栅极加正电压时．MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT管导通，此时高耐压的IGBT管也具有低的导通态压降。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管即关断。IGBT管与M()SFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极、发射极间施加十几伏的直流电压．只有微安级的漏电流，基本上不消耗功率，显示了输入阻抗大的优点。IGBT的电路符号仍然没有统一的画法，图1(a)和图1(b)为IGBT管最常见的电路符号。

若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若1GBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极一发射极间施加十几伏的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。1

IGBT的擎住效应以N型IGBT管为例研究其安全工作区，画出其内部结构与等效电路如图2所示。

1)结构特点

(1)寄生晶闸管：由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的N-PN+晶体管组成。

(2)正偏安全工作区(FBSOA)：最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。

(3)反向偏置安全工作区(RBSOA)：最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率确定。

(4)擎住效应或自锁效应：沟道电阻上产生的压降．相当于对J3结施加正偏压。一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用。电流失控，动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期逐渐解决，即将IGBT与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。

2)使用注意事项

IGBT管的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，IGBT管的UGE的耐压值为20V，在IGBT管加超出耐压值的电压时，会导致损坏的危险。此外，在栅极一发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高。集电极则有电流流过，这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT管发热乃至损坏。1

主要参数(1)最大集射极间电压

该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的。

(2)最大集电极电流

最大集电极电流包括在一定的壳温下额定直流电流和脉宽最大电流。不同厂商产品的标称电流通常为壳温25℃或80℃条件下的额定直流电流。该参数与IGBT的壳温密切相关，而且由于器件实际工作时的壳温一般都较高，所以选用时必须加以重视。

(3)最大集电极功耗

在一定的壳温下IGBT允许的最大功耗，该功耗将随壳温升高而下降。

(4)集射饱和压降

栅射间施加一定电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射间饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时呈负温度系数，在电流较大时为正温度系数，这一特性使IGBT并联运行也较为容易。

(5)栅射电压

与MOSFET相似，当UGE>20V将导致绝缘层击穿。因此在焊接、驱动等方面必须注意。2

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学