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全面认识IGBT及其驱动与保护电路的特点（上）
&&& IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor）是绝缘栅双极型晶体管的简称，是一种集功率型场效应管和电力晶体管的优点于一身的新型复合器件，同时具有MOSFET管的高速开关及电压驱动特性，以及双极晶体管的低饱和电压特性，既有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有耐压高、输出电流大的优点，现已广泛地用于电磁炉、功放机、空调、平板彩电等家电中，以及电机驱动、逆变、变频等电力系统中。
&&& 一、IGBT的基本结构
&&& IGBT本质是一只场效应晶体管，在结构上类似于MOSFET管，其不同点在于IGBT是在N沟道功率型MOSFET管的N＋基极（漏极）上增加了一个P＋基极（IGBT的集电极），形成PN结，如图1所示。从内部结构看，可以将IGBT等效为一只以N沟道MOSFET型管为输入极，以两只三极管组成的达林顿管为输出极的复合器件，如图2所示。按照引出线位置及电流方向，IGBT的三极命名分别为G（栅极或门极）、c（集电极）、e（发射极）。
&&& IGBT是一种以达林顿管为主导件、MOSFET管为驱动件的一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流跟驱动功率都非常小，其导通和关断是由G、e极之间的电压（常称栅极电压）来控制的。当给栅极加上一定的正电压时，MOSFET管内形成沟道，为PNP三极管提供基极电流通路，则PNP三极管导通，即IGBT导通。当给栅极上加负电压时，MOSFET管内的沟道消失，PNP三极管的基极电流通路被切断，则IGBT关断。
&&& 二、IGBT的工作特性
&&& IGBT和普通三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区。在实际应用中，IGBT主要是作为开关器件。因此，需特别关注其饱和导通和截止这两个状态，要求其导通上升沿和关断下降沿应尽可能陡峭，尤其是用在高频电路中时，因为这样才能有效地降低IGBT的开关损耗。
&&& 1．静态特性
&&& IGBT的伏安特性是以栅射极电压UGe为参变量，集电极电流ic和集射极电压Uce之间的关系曲线，如图3所示，分为饱和区、放大区和击穿区三部分。
&&& 在正向导通的大部分区域内，ic与Uce呈线性关系，此时IGBT工作于放大区内。在伏安特性明显弯曲部分，ic与Uce呈非线性关系，此时IGBT工作于饱和区。在实际电路中，IGBT多工作在饱和或关断状态。若IGBT工作于放大状态，则IGBT的损耗将会大幅上升。
&&& IGBT的转移特性是指集电极电流Ic与栅射电压UGe之间的关系曲线，如图4所示，它与MOSFET的转移特性相同，当栅极电压小于开启电压UGe （th）时，IGBT处于关断状态；当UGe &UGe （th）时，IGBT导通，在IGBT导通后的较大ic电流范围内，ic与UGe呈线性关系。
&&& 2．动态特性
&&& 由于IGBT的G、e极和G、c极间存在着分布电容Cge和Cgc，且e极外围电路中存在分布电感Le，如图5所示，所以IGBT的导通与关断均需要一定时间，即存在导通时间ton与关断时间toff。
&&& 当给IGBT的G极加上高电平时，电压给Rg及Cge充电，IGBT的G极电压有一个上升过程。当G极电压达到UGe（th）时，才会产生集电极电流ic。随着ic的上升，Le上的感应电压也随之增大，UGe也会有所上升，这样就减缓了ic的增长。同样，当栅极驱动电压开始下降时，IGBT立即进入线性工作区，Uce开始上升，此时由于Cgc的充电作用，使得IGBT的UGe及ic并不能立即降为0，而是过一段时间后才降为0，关断结束。
&&& IGBT的波形如图6所示。导通时，驱动电压UGe的前沿从幅值的10％升至其90％所用时间称为导通延时时间td，集电极电流lc从。上升到其幅值（1cm）的90％所用时间为tr，则导通时间ton =td +tr。同样，在截止时，UGe与ic均有一个下降过程，其对应的时间为ts和tf，则toff=ts+tf。
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什么是 IGBT
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绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是什么意思
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，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电力电子器件, 兼有MOSFET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;MOSFET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1500V的高压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。
图1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。N+ 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。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（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。
IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 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，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。
IGBT 的工作特性包括静态和动态两类：
1 ．静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。
IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示
Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh
式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。
通态电流Ids 可用下式表示：
Ids=(1+Bpnp)Imos
式中Imos ——流过MOSFET 的电流。
由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ～ 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。
2 ．动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。
IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。
IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。
正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1ｕm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。 "
非常好我支持^.^
不好我反对
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