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三菱电机--IGBT的基本结构

发布日期:2020-04-26 浏览次数:1467 来源:三菱电机

 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电力电子变换器中的一种重要电力半导体器件已经持续增长了若干年,这是因为它使电力电子变换装置和设备实现了更高的效率,也实现了小型化的设计。这就意味着IGBT的应用领域已经扩展到很宽的范围,不仅在工业中,而且在许多其他功率变换系统中,它已经取代了功率双极型晶体管(BJT)、功率MOSFET,在高压大容量电力电子变换器中,出现了与IGCT和晶闸管共同占有全控电力半导体器件的局面。

IGBT是典型的单极型和双极型混合型器件,其中哪一部分占有主导地位,在不同的时期和不同的器件中有不同的认识。根据对IGBT的不同认知程度,其自从发明以来有很多的命名,比如绝缘栅晶体管(IGT)和电导率调制场效应晶体管(COMFET),至20世纪80年代后期,IGBT的命名方式才被大家所共同认可。一般认为,IGBT是MOS栅结构与双极型晶体管相结合进化而成的混合型电力半导体器件。所以,IGBT的使用具备了双极晶体管和功率MOSFET的双重特点,从而形成了具有更好的折中特性(通态压降和开关时间之间)、较低的总损耗(导通损耗和开关损耗等损耗之和)和更稳定的开关安全工作区(SOA)。于是,IGBT成功地拥有绝缘栅良好控制能力及通态电导调制的综合优点。


IGBT在20世纪80年代初投放市场,当时存在器件温度特性差而使并联运行特性差、体内载流子积累较多而使关断特性差、体内寄生晶闸管的擎住效应使器件运行区域受限制等,随着这些问题逐渐被解决,IGBT才开始得到广泛的应用,其作为混合型器件的优点体现得越来越明显。

IGBT可以认为是从VDMOSFET演化而来的,对比VDMOSFET和最初的IGBT概念提出时的结构,如图1所示。不难看出,这两种器件的上半部分基本上是完全相同的,只是在下半部分有明显差别:IGBT比VDMOSFET多了一个P+层,从而多了一个大面积的PN结。其基本出发点是,提出了在VDMOSFET结构中引入一个漏极侧PN结,以提供正向注入少数载流子来实现电导调制而降低通态压降的基本方案。



图1  VDMOSFET与IGBT结构对比

IGBT的各个端子命名存在一些有趣的事情,也反映了人们是如何看待这个混合型器件的。在图1b所示的IGBT基本结构中,上半部分仍与VDMOSFET的栅极结构相同,所以引出的控制端子沿用了MOSFET的命名,叫做栅极(实际上在英文中,单极型器件用的栅极和GTO等双极型器件用的门极都是Gate)。而与MOS结构中的N+层相连接的叫做发射极,与新增的P+层相连的叫做集电极。当IGBT被引入时,它主要用来代替双极型晶体管(BJT)。这就是为什么IGBT的图形符号和双极型晶体管的很像(见图2),因此类比双极型晶体管,IGBT的主端子被称作发射极和集电极。从下面的等效电路分析可知,这里存在一个有趣的“偏差”。也有将IGBT完全看作加入双极型器件特性而改良的MOSFET,延用源极和漏极的命名;还有使用更中性的名称,如阳极和阴极来分别替代集电极和发射极。在这里的分析中,使用被普遍认可的栅极、集电极和发射极的命名方式。如果仅看IGBT的基本结构,从集电极到发射极存在三条不同的电流通路,如图3所示。
具体罗列如下:
1)从集电极出发,经过P+层、N+N-层和P层到达发射极的双极型晶体管通路,即PNP晶体管通路;
2)从集电极出发,经过P+层、N+N-层和MOS栅结构的N沟道到达发射极的MOSFET通路,即二极管串接N沟道MOSFET通路;

3)从集电极出发,经过P+层、N+N-层和MOS栅结构中的P层和N层到达发射极的晶闸管通路,即寄生晶闸管通路。



显然,这三个通路可以看成为并联关系,如图4a所示经过整合,IGBT的等效器件电路构成如图4b所示。其中,寄生的晶闸管看成为MOS栅结构中的寄生NPN晶体管与第一种通路的PNP晶体管两个联合构成。在实际应用中,要防止寄生晶闸管的发生晶闸效应造成器件失控和损坏,即要抑制NPN晶体管的作用,图中使用虚线表示所不期望的NPN晶体管。不考虑虚线部分,此时可以将IGBT看成由N沟道MOSFET与PNP晶体管构成的达林顿结构,即MOSFET的漏极与PNP晶体管的基极相连。



图4  IGBT等效电路

此时再将图2中的端子命名和图4中的等效电路进行对比,就更发现了IGBT端子的命名的有趣之处。在等效电路中,作为IGBT主要功能核心的等效晶体管是PNP型的,PNP晶体管的发射极连接到IGBT外面时叫做IGBT的集电极,PNP晶体管的集电极连接到IGBT外面时叫做IGBT的发射极;从图2中的图形符号对比看,将此IGBT等效为NPN晶体管(IGBT被设计用来代替NPN功率晶体管),但实际上,IGBT内的主要等效晶体管是PNP型的,所示IGBT的科学而正确的端子命名曾经使很多人困惑。

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