绝缘栅双极型晶体管.docx

绝缘栅双极型晶体管—、IGBT介绍IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）,绝缘栅双极晶体管，是由BJT（双极型三 极管）和M0S（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 M0SFET的高输入阻抗和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；M0SFET驱动功率很小，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E）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）oPi层发戕（E）N基根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M0SFET基本相同，只需控制输入极N-沟道M0SFET,所以具有高输入阻抗特性 当M0SFET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A 0V2VI图1 "牡㈣测试电路电路说明和要求：Gl、G2 :可调直流电压源；Vl、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G1,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V图2 ICES测试电路电路要求和说明：G:可调直流电压源；V:高阻扌几直流电压表；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Ices3. 栅极—发射极漏电流的测试在规定条件下,测量器件在集电极—发射极短路条件下栅极 —发射极漏电流Iges，原理图如图3所示图3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：Ices=V/R测量程序:调节电压源G,使栅极一发射极电压Vl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/R4. 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)如图所示图4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：后E8曲6.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，^UIGBT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3.2、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. 5 —4倍J.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：① 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；②关断损耗offE， 包括电流拖尾部分的损耗IGBT开关损耗波形如图7所示I-!■---——OCf八0（山/格图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 所示妊踣测试冰冲图9四、 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MOSFET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MOSFET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MOSFET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MOSFET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MOSFET—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—、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）;II是饱和区；III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（VGS >0）并大于0.5V时，转移特性曲线开始弯曲，如图2-2中正向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—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“A）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o 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 （Junetion Field Effeet Transistor） （管FET色缘栅型场效应管 IGFET（Insulated Gate FET）（M0管） 根据导电方式的不同其中,M0S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。