IGBT 的等效電路如圖1 所示。由圖1 可知,若在IGBT 的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓,則MOSFET 導(dǎo)通,這樣PNP 晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT 的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOSFET 截止,切斷PNP 晶體管基極電流的供給,使得晶體管截止。

由此可知,IGBT 的安全可靠與否主要由以下因素決定：

 

——IGBT 柵極與發(fā)射極之間的電壓;

——IGBT 集電極與發(fā)射極之間的電壓;

——流過(guò)IGBT 集電極－發(fā)射極的電流;

——IGBT 的結(jié)溫。

 

如果IGBT 柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低,則IGBT 不能穩(wěn)定正常地工作,如果過(guò)高超過(guò)柵極－發(fā)射極之間的耐壓則IGBT 可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT 集電極與發(fā)射極允許的電壓超過(guò)集電極－發(fā)射極之間的耐壓,流過(guò)IGBT 集電極－發(fā)射極的電流超過(guò)集電極－發(fā)射極允許的最大電流,IGBT 的結(jié)溫超過(guò)

其結(jié)溫的允許值,IGBT 都可能會(huì)永久性損壞。

 

絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）

 

 

IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N 一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。

 

當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從P+基極注入到N 一層的空穴（少子），對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電。

 

 

IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi)：

 

1 ．靜態(tài)特性:IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。

 

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高，Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū) 1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1 結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。

 

IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id 與Ugs 呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V 左右。

 

IGBT 的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示

 

Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh

 

式中 Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為 0.7 ～ IV ；

 

Udr ——擴(kuò)展電阻 Rdr 上的壓降；

 

Roh ——溝道電阻。

 

通態(tài)電流 Ids 可用下式表示：

 

Ids=(1+Bpnp)Imos

 

式中 Imos ——流過(guò) MOSFET 的電流。

 

由于N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V 的IGBT 通態(tài)壓降為2～3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。

 

2 ．動(dòng)態(tài)特性IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds下降過(guò)程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on)為開(kāi)通延遲時(shí)間，tri為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton 即為td(on)tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1 和tfe2 組成，如圖 2 － 58 所示

 

 

IGBT 在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)?MOSFET 關(guān)斷后，PNP 晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間， td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間， trv 為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。

 

實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf 由圖 2 － 59 中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間 

 

t(off)=td(off)+trv 十 t(f) （ 2 － 16 ）

 

式中， td(off) 與 trv 之和又稱(chēng)為存儲(chǔ)時(shí)間。