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考慮篇幅限制，本次內(nèi)容分為3部分。

       （1） 絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)原理介紹及部分術(shù)語定義；

       （2）IGBT雙脈沖實驗；

       （3）IGBT及隔離驅(qū)動數(shù)據(jù)書冊解讀。

IGBT稱為絕緣柵雙極性晶體管，它結(jié)合了MOSFET的驅(qū)動優(yōu)勢和雙極性晶體管的優(yōu)勢。IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1所示。從結(jié)構(gòu)上看，IGBT更像垂直型MOSFET，不同之處在于它在漏極增加了高摻雜P+層，稱為集電極。當柵極電壓小于開啟電壓時，IGBT關(guān)斷。此時，發(fā)射極電壓遠小于集電極電壓，狀態(tài)為正向阻斷，PN結(jié)J2阻斷。而PN結(jié)J1和J3正偏，為了獲得足夠的阻斷能力，N-區(qū)需足夠?qū)挘瑩诫s濃度盡量低。

當IGBT柵極接到正電壓（通常為15V)，IGBT導(dǎo)通。首先，在氧化層下面的P區(qū)建立反型導(dǎo)電溝道，為電子從發(fā)射極到N-區(qū)提供導(dǎo)電路徑，從而降低N-區(qū)的電位，PN結(jié)J1導(dǎo)通。P+區(qū)的少子（空穴）開始注入N-區(qū)，使得該區(qū)的少數(shù)載流子濃度遠遠超過多數(shù)載流子。為了保持電荷中性，大量的自由電子從N+區(qū)吸引到N-區(qū)。由于載流子的注入，相對高阻的N-區(qū)的導(dǎo)電率迅速上升。這個過程稱為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。它會有效減小IGBT的正向?qū)▔航怠GBT的飽和壓降UCEsat低于MOSFET的擴散電壓，特別是在高壓大電流的應(yīng)用場合，所以IGBT的損耗要比MOSFET的低。IGBT的簡化模型可以用MOSFET和PIN二極管的串聯(lián)電路等效。

IGBT輸出特性如圖2a所示。若柵極電壓太小，形成的反型層較弱，流入漂移區(qū)電子數(shù)相對較少，IGBT的壓降增大，進入特性曲線的線性放大區(qū)。當IGBT工作在線性放大區(qū)時，損耗加劇，嚴重會損壞器件。故器件應(yīng)避免進入線性放大區(qū)。

IGBT導(dǎo)通時，PN結(jié)J2由于承受負電壓而保持阻斷。在相鄰兩層之間形成空間電荷區(qū)，而且它會夾斷從P區(qū)到N-區(qū)寬度為dJEFT范圍內(nèi)的區(qū)域，如圖2b所示。而該區(qū)域在某種程度上決定了IGBT通態(tài)損耗。這種夾斷原理類似于JFET，因而下文中內(nèi)部電阻用RJEFT表示。平面柵極結(jié)構(gòu)IGBT都可以這樣表示。

若柵源電壓為零或者反向，柵極的溝道重組阻止自由電子繼續(xù)注入漂移區(qū)。此時，漂移區(qū)載流子的濃度非常高，所以大量的電子向集電極P+區(qū)移動，而空穴向P基區(qū)移動。由于電子的濃度逐步拉平，載流子的移動逐步停止，剩余的載流子依靠復(fù)合來移除。因而IGBT的關(guān)斷電流分為兩個階段：一是關(guān)斷反型溝道，導(dǎo)致電流迅速下降；二是持續(xù)的時間較長，導(dǎo)致IGBT產(chǎn)生拖尾電流Icz，如圖3所示。第一階段稱為MOSFET關(guān)斷，第二階段稱為晶體管關(guān)斷。由于拖尾電流的存在使得IGBT的關(guān)斷損耗高于MOSFET關(guān)斷損耗。

關(guān)于IGBT的術(shù)語

電壓定義：

（1）集電極-發(fā)射極阻斷電壓UCES：柵極和發(fā)射極斷路時，集電極和發(fā)射極之間的電壓。

（2）集電極-發(fā)射極擊穿電壓U(BR)CES：柵極和發(fā)射極短路時，集電極和發(fā)射極之間的電壓。

（3）集電極-發(fā)射極飽和電壓UCEsat：在柵極和發(fā)射極之間加入一定的電壓，且集電極電流幾乎不受柵極-發(fā)射極電壓控制時的電壓。

（4）柵極-發(fā)射極之間的閾值電壓UGE(th)：集電極電流有一個較小的特定值時，柵極和發(fā)射極之間的電壓。此時IGBT內(nèi)部MOSFET溝通開啟，允許一個很小的電流流過。

（5）二極管正向?qū)妷篣F：當二極管流過一個特定的正向電流IF時，陽極和陰極之間的電壓。

電流定義：

（6）集電極電流Ic：通常稱作集電極電流。在數(shù)據(jù)手冊中也用來表示最大連續(xù)集電極直流電流。

（7）重復(fù)峰值集電極電流ICRM：在時間t中（一般是1ms）最大的重復(fù)電流。很多廠商指定ICRM的值是集電極電流的兩倍。

（8）集電極-發(fā)射極漏（截止）電流ICES：在指定的集電極-射極電壓下，通常取額定阻斷電壓UCES，流入集電極的漏電流。

（9）拖尾電流Icz：IGBT關(guān)斷過程中，拖尾時間內(nèi)的集電極電流。

（10）二極管電流IF：正向?qū)〞r通過二極管的電流。數(shù)據(jù)手冊中通常指二極管最大連續(xù)正向直流電流。

（11）二極管重復(fù)峰值電流IFRM：在時間t中（一般是1ms）正向通過二極管的最大重復(fù)電流，很多廠商指定IFRM是二極管電流的兩倍。

（12）二極管反向恢復(fù)電流IRM：在給定的測試條件下反向恢復(fù)電流最大值。

時間定義：

（13）開通延時td(on)：IGBT的柵極開啟電壓脈沖到集電極電流開始上升的時間間隔。通常以柵極電壓幅值的10%和集電極電流10%作為開通延時計算參考點。

（14）上升時間tr：通常指IGBT開通后，集電極電流從最大值的10%上升到90%的時間間隔。

（15）開通時間ton：開通延時與上升時間之和，如圖4a所示。

（16）關(guān)斷延時td(off)：維持IGBT導(dǎo)通的柵極電壓脈沖的末端時刻到集電極電流開始下降的間隔。在這段時間內(nèi)，IGBT進入關(guān)斷狀態(tài)。一般情況下，以柵極電壓幅值的90%和集電極電流90%作為關(guān)斷延時計算的參考點。

（17）下降時間tf：一般指集電極電流從最大值的90%下降到10%的時間。如果集電極電流90%的值到10%的值不是一條直線，則做一條下降電流曲線的切線，在切線上讀取集電極電流的10%。

（18）關(guān)斷時間toff：關(guān)斷延時和下降時間之和，如圖4b所示。

（19）拖尾時間tZ：關(guān)斷時間toff的末端到集電極電流下降到其最大值2%時的時間間隔。

參考文獻

[1] IGBT模塊：技術(shù)驅(qū)動和應(yīng)用，英飛凌，2016