IGBT的特点、工作原理及安全工作区

绝缘栅双极晶体管(IGBT, InsulatedGate Bipolar Transistor)是一种三端功率半导体器件,主要用作电子开关,在较新的器件中以结合高效和快速开关而闻名。IGBT通过在单个器件中组合用于控制输入的隔离栅极FET和作为开关的双极功率晶体管,将MOSFET的简单栅极驱动特性与双极晶体管的高电流和低饱和电压能力相结合。IGBT用于中到大功率应用,如开关电源、牵引电机控制和感应加热。

图1. IGBT 电路图符号

01IGBT特点

IGBT具有栅极、集电极、发射极3个引脚。栅极与MOSFET相同,集电极和发射极与双极晶体管相同。IGBT与MOSFET一样通过电压控制端口,在N沟道型的情况下,对于发射极而言,在栅极施加正电压时,集电极-发射极导通,流过集电极电流。我们将另行介绍其工作和驱动方法。

IGBT是结合了MOSFET和双极晶体管优点的晶体管。MOSFET由于栅极是隔离的,因此具有输入阻抗高、开关速度较快的优点,但缺点是在高电压时导通电阻较高。双极晶体管即使在高电压条件下导通电阻也很低,但存在输入阻抗低和开关速度慢的缺点。通过弥补这两种器件各自的缺点,IGBT成为一种具有高输入阻抗、开关速度快(IGBT开关速度比MOSFET慢,但仍比双极晶体管快。) ,即使在高电压条件下也能实现低导通电阻的晶体管。

02IGBT 的工作原理

当向发射极施加正的集电极电压VCE,同时向发射极施加正的栅极电压VGE时,IGBT便能导通,集电极和发射极导通,集电极电流IC流过。

图2. IGBT近似的等效电路

IGBT的等效电路如上图所示。当栅极-发射极(G-E)和集电极-发射极(C-E)通路均发生正偏置时,N沟道MOSFET导通,导致漏极电流流动。该漏极电流也流向QPNP的基极并导致IGBT导通。由于QPNP的直流电流增益(α)非常小,因此几乎整个发射极电流(IE(pnp))都作为基极电流(IB(pnp))流动。但部分IE(pnp)会作为集电极电流(IC(pnp))流动。IC(pnp)无法开启QNPN,因为它绕过了QNPN基极和发射极之间插入的RBE。

因此,IGBT的几乎所有集电极电流都通过QPNP的发射极-基极通路作为N沟道MOSFET的漏极电流流动。此时,空穴从QPNP的发射极注入到N通道MOSFET的高电阻漂移层。这导致漂移层的电阻率(Rd(MOS))大大降低,从而降低了导通期间的导通电阻。这种现象称为电导率调制。

关闭栅极(G)信号会导致N沟道MOSFET关断,从而导致IGBT关断。

03安全工作区

在IGBT的规格书中,可能会看到安全工作区(SOA, Safe Operating Area),例如ROHM的 RGS30TSX2DHR 如下图所示。这个安全工作区是指什么?

图3. Rohm的RGS30TSX2DHR安全工作区 (图片来源ROHM)

IGBT 的安全工作区(SOA)是使IGBT在不发生自损坏或性能沒有下降的情况下的工作电流和电压条件。实际上,不仅需要在安全工作区内使用IGBT,还需对其所在区域实施温度降额。安全工作区分为正向偏置安全工作区(FBSOA,Forward Bias Safe Operating Area)和反向偏置安全工作区(RBSOA, Reverse Bias Safe OperatingArea)。

3.1 正向偏置安全工作区

正向偏置安全工作区定义了IGBT导通期间的可用电流和电压条件。

图4. RGS30TSX2DHR的正向偏置安全工作区 (图片来源ROHM)

上图是RGS30TSX2DHR的正向偏置安全工作区,可以根据具体情况分为4个领域,如下所述:1)受集电极最大额定电流限制的区域2)受集电极耗散限制的区域3)受二次击穿限制的区域 (该区域会因器件设计而有所不同)4)受集电极-发射极最大额定电压限制的区域

3.2 反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区定义了IGBT关断期间的可用电流和电压条件。

图5. RGS30TSX2DHR的反向偏置安全工作区 (图片来源ROHM)

上图是RGS30TSX2DHR的反向偏置SOA可以简单分为2个有限区域,如下所述:

受集电极最大额定电流值限制的区域

受集电极-发射极最大额定电压限制的区域。

请注意,当设计的 VCE-IC工作轨迹偏离产品本身安全工作区时,产品可能会发生出现意外故障。因此,在设计电路时,在确定与击穿容限相关的具体特性和电路常数时,必须密切注意耗散和其他性能问题。例如,反向偏置安全工作区具有温度特性(在高温下劣化),VCE-IC的工作轨迹根据栅极电阻Rg和栅极电压VGE而变化。

因此,有必要在了解工作环境和关断时的最小栅极电阻值后,才进行Rg和 VGE设计。

04不同类型IGBT 产品

市场上有不同类型的IGBT 产品,我们可以根据实际应用情况、安装类型(例如通孔、面板安装或表面安装)来挑选。

IGBT单管

将MOSFET的简单栅极驱动特性与双极晶体管的高电流和低饱和电压能力相结合。

图6. IXYS 的IXYH16N170C

IGBT模块

由IGBT与二极管通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品 。封装后的IGBT模块可以直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。

图7.Infineon的 FZ800R12KE3

图8. Infineon 的 IM241-L6T2B 智能功率模块 (IPM)

总结

IGBT 是一种功率半导体器件,用于电子开关,控制和改变电流的大小频率,是电能转换及应用的核心芯片。由于篇幅有限,IGBT 涉及的技术内容、应用领域很广,所以欢迎大家在文末交流分享,一起讨论学习。

历经多年,作为功率器件的重要一脉,IGBT在高压应用中的地位至今还没有其他器件可以取代,在包括新能源逆变器、汽车和储能等应用中更是方兴未艾。本文的择要介绍为之前对IGBT缺乏了解的小伙伴们提供了一个窗口和基础,也打开了一个交流讨论的契机。你对IGBT还有哪些方面的疑问?或者对相关内容有哪些想法和补充?欢迎留言,沟通交流!

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来源:轩哥技术分享
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