探究絕緣柵雙極晶體管的原理及應用

秦慧嫻

【摘 要】 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是近十多年來為適應電力電子技術發展而出現的新型器件。是整機系統提高性能指標和節能指標的首選產品 。它集高頻率 、高電壓、大電流等優點于一身 ， 是國際上公認的電力電子技術第三次革命的最具代表性的產品 。本文著重介紹它的結構、工作機理、靜態特性、動態特性以及主要參數，為使用該類器件奠定基礎IGBT是上世紀80年代初研制成功，并在其性能上，經過幾年的不斷提高和改進，以成熟的應用于高頻大功率領域。因此本文還介紹了IGBT國內外發展簡況，將詳細地說明了IGBT的重要特性及其應用基礎技術，列出了在家用電器、電焊機、電動機等方面應用的一些基本電路。

【關鍵詞】 絕緣柵雙極晶體管 等效電路 靜態特性 動態特性

一、 IGBT的結構和原理

絕緣柵雙極晶體管是一種新型的電力半導體器件，它既具有功率場效應晶體、管高速、高輸入阻抗的特性，又具有雙極達林頓 晶體管飽和電壓低、電流大、反壓高的特性[2]。這種器件在1982年由美國RCA與G E公司試制成功，后經美國IR 公司、歐洲 S G S公司和菲利浦公司、日本東芝 、富士電機 、 日立 公司等的改進，于80年代末實現了商品化，自此其應用技術日趨成熟，在電力電子技術中扮演了重要角色。

1.1 IGBT的結構和工作機理

它是在功率MOSFET的基礎上發展起來的，他與功率MOSFET不同之處在與多了一個p+發射區，由該區引出IGBT的漏極（或稱集電極），這樣IGBT就比MOSFET多了一個PN結。IGBT的柵極和源極的引出處與功率MOSFET相同。從IGBT的結構可相應得出它的等效電路，由于非對稱型IGBT加入的N+區緊靠N-區都是N區，只是參雜濃度不同，所以兩種不同類型的IGBT其等效電路是相同的。它們都由三個結，半導體類型的層次也相同。

IGBT既然是以MOSFET為驅動元件和雙極晶體管為主導元件的復合器件，它的開通、關斷就必然與MOSFET相同，是由柵極電壓來控制的。柵極加正電壓時，MOSFET內形成溝道并為雙極晶體管提供基極電流，進而使IGBT導通，此時從發射區注入到N-區的空穴對N-區進行電導調制，減少N-漂移區的電阻RMOD。使高耐壓的IGBT也具有低導通電壓特性。IGBT柵極上施加負電壓時，MOSFET的溝道消失，PNP晶體管被切斷，IGBT即處于關斷狀態。由此可見，IGBT的驅動原理與MOSFET管基本相同。由于等效雙極晶體管是IGBT的主導元件，因此IGBT具有大電流傳輸能力。

二、 IGBT的特性

IGBT的結構與功率MOSFET極為相似，所不同的是前者先用p+作襯底，然后再上面生長n+，n-型漂移層，再使用與后者相似工藝在漂移層上制作功率MOSFET。IGBT能用非常高的輸入阻抗來進行電壓控制，且具有高的正向導通電流密度。另外，還發現IGBT的導通態電壓降隨溫度的增加而增大，這樣就允許器件并聯，并使在每個器件中有良好的電流分布。

三、 IGBT應用及其發展

IGBT是上世紀80年代初研制成功，并在其性能上，經過幾年的不斷提高和改進。已成熟地應用于高頻大功率領域。它將MOSFET的電壓控制、控制功率小、易于并聯、開關速度高的特點和雙極晶體管的電流密度大、電流處理能力強、飽和壓降低的特點集于一身，表現出高的特點和雙極晶體管的電流密度大、電流處理能力強、大電流、高頻率等優越的綜合性能[1-4]。IGBT主要用于逆變器、低噪音電源、UPS不間斷電源以及電動機變頻調速等領域。IBGT的用途非常廣泛，小到變頻空調、靜音冰箱、洗衣機、電磁爐、微波爐等家用電器。大到電力機車牽引系統都離不開它。IGBT在軍事機載、靚載、雷達等隨動系統中也有廣泛的用途，目前，國內IGBT產品依賴進口。國外IGBT產品已大量生產。而國內IGBT還處于研制階段。與國外相比，IGBT的制造工藝技術至少落后十年，IGBT的國產化形勢相當緊迫。因此，開展IBGT的研發工作對我國國民經濟和國防工業的發展具有十分重要的意義[5]。

【參考文獻】

[1] 李恩玲，周如培. IGBT的發展現狀及應用[J].半導體雜志 1998 23（3）：48-51.

[2] 華偉. 功率MOS器件的結構和性能[J]. 通信電源技術. 2001 9（3）：21-24.

[3] Hefner A R：An Investigation of the Drive Circuit Requirements for the Power IGBT. IEEE Trans. On Power Elec： 1991.6（2）：208～219.

[4] 陳漪漣. GTO逆變器與IGBT逆變器的應用于研究. 2002.

[5] Thiyagarajah K： A High Switching Frequency IGBT PWM Rectifier/Inverter System for AC Motor Drive Operating from Single Phase Supply.IEEE Trans. On Power Elec： 1991.6（4）：576～584.