绝缘栅双极型晶体管

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1、绝缘栅双极型晶体管IGBT介绍IGBT（I nsulated Gate Bipolar Tran sistor），绝缘栅双极晶体管，是由 BJT（双极型三极管）和MOS绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET勺高输入阻抗和 GTR的低导通压降两方面的优点。 GTR饱和压降低，载流密度大，但 驱动电流较大；MOSFET区动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。二、IGBT的结构左边所示为一个

2、 N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极巳。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和 P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region ）。而在漏区另一侧的 P+区称为漏注 入区（Drain injector ）,它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏 注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。则(E)1 Nf 1/ NP-NOg

3、P壇吸N基楼N黏区P惺巢电檢（C）IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP（原来为NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFE基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET所以具有高输入阻抗特性。 当MOSFE的沟道形成后，从 P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减 小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。三、对于IGBT的测试IGBT模块的测试分为两大类：一类是静态参数测试，即在IGBT模块结温为25C时 进行测试，此时IGBT工作在非开关状态；另一

4、类是动态参数测试，即在IGBT模块结温为1时进行测试，此时IGBT工作在开关状态。3.1、静态参数的测试1. 栅极一发射极阀值电压的测试在规定条件下，测量栅极一发射极阀值电压Vge（th）,测试电路原理图如图1所示电路说明和要求：Gl、G2:可调直流电压源；VI、V2:直流电压表；A:直流电流表；DUT:被测 量的IGBT（下同）。测量程序：调解电压源 G2至规定的集电极一发射极电压（15V）;调节电压源GI，从零开始逐渐增加栅极一发射极间的电压。当电流表A显示出规定的集电极电流值时，电压表VI的显示值即为被测器件的栅极一发射极阀值电压。2. 集电极一发射极截止电流的测试在规定条件下，测量器件

5、的栅极一发射极短路时集电极一发射极截止电流Ices，原理电路如图2所示OvOUT图2 J巧测试电路电路要求和说明：G:可调直流电压源；V:高阻抗直流电压表；A:直流电流表；R:限流电阻器。 测量程序：调节电压源G,从零开始逐渐增加集电极一发射极间的电压到电压表V显示出规定的值（10V），从电流表A读出集电极一发射极截止电流 Ices。3. 栅极一发射极漏电流的测试在规定条件下，测量器件在集电极一发射极短路条件下栅极发射极漏电流Iges，原理图如图3所示。V2电路说明和要求：G:可调直流电压表；Vl，V2:直流电压表；R:测量电阻器。这时栅极一发 射极漏电流为：lces=V/R。测量程序：调节电

6、压源G,使栅极一发射极电压 VI到规定值（20V）。 从V2电压表读出V2,则栅极一发射极漏电流为V2/R。4. 集电极一发射极饱和电压的测试在规定条件下，测量器件在集电极一发射极饱和电压Vce（ sat ）如图所示R电路说明和要求：G1:可调直流电压表；G2:可调直流电压表；V1,V2:直流电压表；A:直流电 流表；R：集电极负载电阻器；测量程序：调节电压源Gl，使器件栅极一发射极间的电压达到 规定值（15V）。调节电流源 G2使器件集电极电流到规定值（12A）。这时电压表V2读数即为所测得集电极-发射极饱和电压。5. 集电极一发射极通态压降Vce （on）测试即指在额定集电极电流Ic和额定

7、G-E电压GEV下的集电极一发射极通态压降。该参数是IGBT应用中的重要参数，其大小直接决定通态损耗的大小。如图：-TL6续流二极管的正向压降Vfm测试即指IGBT模块中与IGBT芯片反并的续流二极管的正向压降。该值与IGBT模块的关断特性紧密相关，若Vfm小，则IGBT关断速度快，关断损耗会减小，但是关断时 IGBT上的过冲电 压尖峰较高；反之，则会造成关断损耗增大。原理图如下丄Hi3.2、动态参数测试1. 擎住电流LUT测试IGBT结构为pnpn 4层结构，如果条件合适，它能像晶闸管一样擎住，此时IGBT的负载为阻性负载。通常情况下，集电极电压Vcc为额定电压的60%擎住电流为额定电流的两

8、倍。LUT测试的时序图如图 6所示。通常测试系统的电流保护值Iprot设定为额定电流的 3. 54倍。2. 能耗lossE测试对于电路设计者来说，开关过程中元件内部的能量损耗非常重要，籍此可计算出开关损 耗的平均值。进行此项测试时，IGBT负载为感性负载。总的开关损耗值由两部分组成：开通损耗onE,其中包括与IGBT芯片反并续流二极管的反向恢复损耗；关断损耗 ofE , 包括电流拖尾部分的损耗。IGBT开关损耗波形如图7所示。r /I ()0ns/f：5图73. 反偏安全工作区（RBSOA测试该项测试主要用于考核 IGBT模块关断时工作在最大电流和电压下的工作能力。此时，IGBT的负载为感性负

9、载，其测试原理图和参考波形如图8所示。-TL图84 短路测试该项测试是在一定的 Vcc下检测IGBT模块直接对电源短路的有限时间，借此考核IGBT承受电流过冲的能力。其测试原理图和参考波形如图9所示。妊路测试冰冲四、总结通过绝缘栅双极型晶体管的参数进行测试，让我更加了解IGBTIGBT是由MOSFE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 MOSFE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MOSFE!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

10、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。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFE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IGBT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MOSFE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V的直流电压，只有在 uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。单极型晶体管参数测试一、单极型晶体管介绍单极型晶体管也称为场效应管。 是电压控制型元件，输入阻抗高，热稳定性好，抗辐射能力 较强,集成度较高。它是一种只有多子参与导电，少子不

11、参与导电的晶体管，所以称为单极型晶 体管。分为绝缘栅场效应管 （MOS管）和结型场效应管（J-FET管）.其中,MOS管还分为增强型 和耗尽型两种。二、参数及测试方法1）、输出特性曲线与转移特性曲线输出特性曲线（IDS VDS ）即漏极特性曲线，它与双极管的输出特性曲线相似，如图2-1所示。在曲线中，工作区可分为三部分：I是可调电阻区（或称非饱和区）；n是饱和区； 川是击穿区。转移特性曲线为IDS VDS之间的关系曲线，它反映了场效应管栅极的控制能力。由于结型场效应晶体管都属于耗尽型，且栅源之间相当于一个二极管，所以当栅压正偏（VGS0）并大于0.5V时，转移特性曲线开始弯曲，如图2-2中正向

12、区域虚线所示。这是由于栅极正偏引起栅电流使输入电阻下降。这时如果外电路无保护措施，易将被测管烧毁，而MOS场效应管因其栅极有 SiO2绝缘层，所以即使栅极正偏也不引起栅电流，曲线仍向上升见图2-2所示。2）、跨导（gm）跨导是漏源电压一定时，栅压微分增量与由此而产生的漏电流微分增量之比，即跨导表征栅电压对漏电流的控制能力，是衡量场效应管放大作用的重要参数，类似于双极管的电流放大系数，测量方法也很相似。跨导常以栅压变化1V时漏电流变化多少微安或毫安表示。它的单位是西门子，用S表示，1S=1A/V。或用欧姆的倒数“姆欧”表示，记作“欧姆分之一”。3）、夹断电压VP和开启电压VT夹断电压VP是对耗尽

13、型管而言，它表示在一定漏源电压VDS下，漏极电流减小到接近于零（或等于某一规定数值，如 50 yA）时的栅源电压。开启电压 VT是对增强型管而言。 它表示在一定漏源电压 VDS下，开始有漏电流时对应的栅源电压值。 MOS管的夹断电压和 开启电压又统称阈值电压。4）、最大饱和电流（IDSS）当栅源电压 VGS=OV、漏源电压VDS足够大时所对应的漏源饱和电流为最大饱和电流。它反映场效应管零栅压时原始沟道的导电能力。显然这一参数只对耗尽型管才有意义。对于增强型管，由于 VGS = 0时尚未开启，当然就不会有饱和电流了。5）、源漏击穿电压（BVDS）当栅源电压VGS为一定值时，使漏电流IDS开始急剧

14、增加的漏源电压值，用BVDS表示。注意，当 VGS不同时，BVDS亦不同，通常把 VGS=0V时对应的漏源击穿电压记为 BVDS。6）、栅源击穿电压（BVGS）栅源击穿电压是栅源之间所能承受的最高电压。结型场效应管的栅源击穿电压，实际上是单个pn结的击穿电压，因而测试方法与双极管BVEBO的测试方法相同。三、总结通过本次的学习，让我对单极型器件有了更深入的理解，以下是单极型晶体管的作用和分类。（1）作用：1、场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以 容量较小，不必使用电解电容器。2、 单极型晶体管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作 阻抗

15、变换。3、单极型晶体管可以用作可变电阻。4、单极型晶体管可以方便地用作恒流源。5、单极型晶体管可以用作电子开关。（2）分类：单行管晶体管分类，单极型晶体管根据材料的不同可分为结型场效应管JFET （Ju nctionField Effect Transistor）（J-FET 管）和绝缘栅型场效应管 IGFET（Insulated Gate FET）（MOS 管）。 根据导电方式的不同其中，MOS管还分为增强型和耗尽型两种。所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域 的载流子，形成导电沟道。耗尽型则是指 ，当VGS=0时即形成沟道 加上正确的VGS时,能使 多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。