IGBT晶体管基础知识
igbt晶体管基础知识
在技术讲解之前的。回答下列的重要问题，将有助于为特定的应用选择适当的igbt。 非穿通（npt）和穿通(pt)器件之间的差异，以及术语和图表将稍后解释。
1. 什么是工作电压？ igbt的关断电压最高应不超过vces的80%。
2. 这是硬或软开关？pt器件更适合于软开关，因其可以减少尾电流，但是，npt器件将一直工作。
3.流过igbt的电流都有什么？首先用简短的语言对用到的电流做一个大致的介绍。对于硬开关应用，频率—电流图很有用，可帮助确定器件是否适合应用。在应用时需要考虑到数据表由于测试条件不同而存在的差异，如何做到这一点稍后将有一个例子。对于软开关应用，可从ic2开始着手。
4.什么是理想的开关速度？如果答案是“更高，更好”，那么pt器件是最好的选择。同样，使用频率—电流图可以帮助选择硬开关应用的器件。
5.短路承受能力必要吗？对于应用如马达驱动器，答案是肯定的，而且开关频率也往往是相对较低。这时将需要npt器件。开关电源往往不需要短路耐受力。
igbt概述
一个n沟道igbt基本上是一个n沟道功率mosfet构建在p型衬底上，图1为通常的igbt横截面。（pt igbt有一个额外的n+层，并将加以解释。）因此，使用igbt和使用功率mosfet非常相似。从发射极到栅极之间加一个正的电压，使得电子从body流向栅极。 如果门-发射极电压达到或超过所谓的阈值电压，足够多的电子流向栅极跨过body形成一个导电通道，允许电流从集电极流向发射极。（准确地说，它使得电子从发射极流向集电极。）这种电子流吸引阳离子或空穴从p型衬底经漂移区到达集电极。如图2所示，为igbt的简化等效电路图。
图1：n沟道igbt的横截面。
图2：igbt的简化等效电路图。
图2的左边电路图为一个n沟道功率mosfet驱动一个大衬底pnp双极晶体管，为达林顿连接。右边电路图简单地显示了一个n沟道功率mosfet在漏极串联二极管的情形。乍看之下，似乎igbt两端的开态电压比一个n沟道功率mosfet本身两端的开态电压高一个二极管的压降。这是真正的事实，即igbt两端的开态电压始终是至少有一个二极管压降。 然而，相比功率mosfet，在相同的裸片尺寸下，工作在相同的温度和电流的情况下，igbt可以明显降低开态电压。原因是，mosfet仅仅是多子（多数载流子）器件。 换言之，在n沟道 mosfet中，只有电子在流动。 如前所述，n沟道igbt的p型衬底会将空穴注入到漂移区。因此，igbt的电流里既有电子又有空穴。这种空穴（少子）的注入大大减少了漂移区的等效电阻。另有说明，空穴注入大大增加了电导率，或导电性被调制。由此减少了开态电压是igbt相比功率mosfet的主要优势。
当然，世界上没有免费的午餐，较低的开态电压的代价是开关速度变慢，特别是在关闭时。 原因是，在关断时，电子流可以突然停止，就跟在功率mosfet中一样，通过降低栅极和发射极之间的电压使其低于阈值电压。然而，空穴仍然留在漂移区，除了电压梯度和中和没有办法移除它们。igbt在关闭期间的尾电流一直要持续到所有的空穴被中和或被调制。调制率是可以控制的，这是图1中n +缓冲层的作用。 这种缓冲层在关闭期间迅速吸收捕获的空穴。 并非所有的igbt纳入一个n+缓冲层; 那些被称为穿通型(pt)的有，那些被称为非穿通型（npt）的没有。 pt igbts 有时被称为不对称的，npt是对称的。
其他的较低的开态电压的代价是，如果igbt的运作超出规格的范围，那么会存在闩锁的可能。闭锁是igbt的一种失效模式既igbt再也不能被栅极关闭。任何对igbt的误用都将诱发闭锁。 因此，igbt的闭锁失效机理需要一些解释。
基本结构
igbt的基本结构和晶闸管类似，即一系列pnpn结。 这可以通过分析更详细的igbt等效电路模型来解释，如图3所示。
图3：igbt的寄生晶闸管模型。
所有的n通道功率mosfet都存在寄生npn双极型晶体管，因此所有n3channel的igbt也都存在。寄生npn晶体管的基极是体区域，基极和发射极短接以防止晶体管开启。 但是请注意，体区域存在电阻，既体扩散电阻（body region spreading resistance），如图3所示。 p型衬底，漂移区和体区域组成了igbt的pnp部分。该pnpn结构形成了寄生晶闸管。 如果寄生npn晶体管开启并且npn和pnp晶体管的增益和大于1，闭锁就发生了。 闭锁是通过优化igbt的掺杂水平和设计不同区域的尺寸来避免的，如图1所示。
可以设定npn和pnp晶体管的增益，使他们的总和不到1。 随着温度的升高，npn和pnp晶体管的增益增大，体扩散电阻也增大。非常高的集电极电流可在体区域引起足够的电压降使得寄生npn晶体管开启，芯片的局部过热使寄生晶体管的增益升高，这样他们的收益总和就超过1。如果发生这种情况，寄生晶闸管就开始进入闩锁状态，而且igbt无法被栅极关闭，且可能由于电流过大被烧毁。这是静态闭锁。高dv/dt关闭过程加上过度的集电极电流也可以显著地提高增益和开启寄生npn晶体管。这是动态闭锁，这实际上限制了安全工作区，因为它可能会在比静态闭锁低得多的集电极电流下发生闭锁，这取决于关断时的dv / dt。通过在允许的最大电流和安全工作区内工作，可以避免静态和动态闭锁，且不用考虑dv / dt的问题。请注意，开启和关闭情况下的dv / dt，过冲（overshoot）和震荡（ringing）可由外部闸电阻设定（以及在电路布局上的杂散电感）。
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2. 这是硬或软开关？pt器件更适合于软开关，因其可以减少尾电流，但是，npt器件将一直工作。
3.流过igbt的电流都有什么？首先用简短的语言对用到的电流做一个大致的介绍。对于硬开关应用，频率—电流图很有用，可帮助确定器件是否适合应用。在应用时需要考虑到数据表由于测试条件不同而存在的差异，如何做到这一点稍后将有一个例子。对于软开关应用，可从ic2开始着手。
4.什么是理想的开关速度？如果答案是“更高，更好”，那么pt器件是最好的选择。同样，使用频率—电流图可以帮助选择硬开关应用的器件。
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图2：igbt的简化等效电路图。
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