IGBT工作原理

简单来说，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管，它的简化等效电路如图(b)所示，图中的RN为PNP晶体管基区内的调制电阻。从该等效电路可以清楚地看出，IGBT是用晶体管和MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。冈为图中的晶体管为PNP型晶体管，MOSFET为N沟道场效应晶体管，所以这种结构的IGBT称为N沟道IIGBT，其符号为N-IGBT。类似地还有P沟道IGBT，即P- IGBT。

图（b）

IGBT是—种场控器件，它的开通和关断由栅极和发射极间电压UGE决定，当栅射电压UCE为正且大于开启电压UCE（th）时，MOSFET内形成沟道并为PNP型晶体管提供基极电流进而使IGBT导通，此时，从P+区注入N-的空穴（少数载流子）对N-区进行电导调制，减小N-区的电阻RN，使高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅射极间不加信号或加反向电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。由此可知，IGBT的驱动原理与MOSFET基本相同。
①当UCE为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。
②当uCE为正时：UC< UTH，沟道不能形成，器件呈正向阻断状态；UG>UTH，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，在N-区产生电导调制，使器件正向导通。

1)导通

IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是JGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件（有两个极性的器件）。基片的应用在管体的P、和N+区之间创建了一个J，结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道便形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，则J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整N-与N+之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流（MOSFET电流）；一个空穴电流（双极）。当UCE大于开启电压UCE(th），MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

2)导通压降

电导调制效应使电阻RN减小，通态压降小。所谓通态压降，是指IGBT进入导通状态的管压降UDS，这个电压随UCS上升而下降。

3)关断

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET的电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是阂为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少于）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形。集电极电流将引起功耗升高、交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的Tc、IC：和uCE密切相关，并且与空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。当栅极和发射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

4)反向阻断

当集电极被施加一个反向电压时，J，就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以这个机制十分重要。另外，如果过大地增加这个区域的尺寸，就会连续地提高压降。

5)正向阻断

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，J，结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区巾的耗尽层承受外部施加的电压。

6)闩锁

ICBT在集电极与发射极之间有—个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁。具体来说，产生这种缺陷的原因各不相同，但与器件的状态有密切关系。

文章来源：kiaic

编辑：ymf