绝缘栅双极型晶体管

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1、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） 和M0S（）组成的复合全控型驱动式功率，兼有M0SFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两 方面的优势GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度 快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种的优势，驱动功率小而饱和压降低。 超级适合应用于为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、照明电路、牵引传动等领 域。二、IGBT的结构左侧所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极结构，N+区称为源区，附于其上的电极称

2、为 源极（即发射极E）。P+区称为漏区。的操纵区为栅区，附于其上的电极称为（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，与漏区和亚沟道区一路形成PNP，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。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极 C）。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP（原先为NPN）晶体管提供基极, 使IGBT导通。反之，加反向门极电压排除沟道

3、，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱 动方式和M0SFET大体相同，只需操纵输入极N-沟道M0SFET,因此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-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小 N-层的，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。三、关于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，现在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，现在IGBT工作在开关状态。、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V

4、ge(th), 测试电路原理图如图1所示电路说明和要求：Gl、G2:可调直流电压源；VI、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);调剂电压 源Gl，从零开始慢慢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Vl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所示图2 酢测试电路电路要求和说明：G:可调直流电压源；V:高阻抗直流电压表；A:直流电流表；R:限流电

5、阻器。 测量程序:调剂电压源G，从零开始慢慢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Ices。3. 栅极一发射极漏电流的测试在规定条件下，测量器件在集电极一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。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:调剂电压源G,使栅极一发射极电压Vl到规定值(20V)。 从V2电压表读出V2,那么栅极一发射极漏电流为V2/R。4. 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

6、和电压Vce(sat)如下图电路说明和要求：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:调剂电压源Gl,使器件栅极一发射极间的电压达到 规定值(15V)。调剂电流源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GE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：TT心-JL览E 6.续流二极管的正向压降Vfm测试即指IGBT模块中与IGB

7、T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，假设Vfm小，那么IGBT关断速度快，关断损耗会减小，可是关断时IGBT 上的过 冲电压尖峰较高；反之，那么会造成关断损耗增大。原理图如下、动态参数测试1. 擎住电流LUT测试IGBT结构为pnpn 4层结构，右是条件适合，它能像晶闸官一样擎住，现在IGBT的负载为 阻性负载。通常情形下，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爱惜值Iprot设定为额定电流的3. 5 4倍。2. 能耗lossE测试关于电路设计者来讲，开关进程中元件内部的能量损耗超级重

8、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份组成： 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；关断损耗offE, 包括电流拖尾部份的损耗。IGBT开关损耗波形如图7所示。VFTASUt lOOns/115-3. 反偏平安工作区(RBSOA)测试该项测试要紧用于考核IGBT模块关断时工作在最大电流和电压下的工作能力。现在，IGBT 的负载为感性负载，其测试原理图和参考波形如图8所示。图84. 短路测试该项测试是在必然的Vcc下检测IGBT模块直接对电源短路的有限时刻，借此考核IGBT经受 电流过冲的能力。其测试原理图

9、和参考波形如图9所示。四、总结通过绝缘栅双极型晶体管的参数进行测试，让我加倍了解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 种器件的优势，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优势，又具有双极型器件饱 和压降低而容量大的优势，其特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz 内，在现代电力电子技术中取得了愈来愈普遍的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。假设在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，那么MOSFET导通，如此PNP的集电极与 基极之间成低阻状态而使得晶体管导通

10、;假设IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,那么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 样也是电压操 纵型，在它的栅极一发射极间施加十几V的，只有在uA级的漏电流流过，大体上不消耗功率。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。是电压操纵型元件，输入阻抗高，热稳固性好，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，因此称为单极型晶体管。 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、参数及测试方式1）、输出特性曲线与转移特性曲线 输出特性曲

11、线（IDSVDS）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，工作区可分为三部份：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IDSVDS之间的关系曲线，它反映了场效应管栅极的操纵能力。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，因此当栅压正偏（VGS 0）并大于时，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 偏引发栅电流使输入电阻下降。这时若是外电路无爱惜方法，易将被测管烧毁，而MOS场 效应管因其栅极有SiO2绝缘层，因此即便栅极正偏也不引发栅电流，曲线仍向上升见图2-2 所示。2）、

12、跨导（gm）跨导是漏源电压一按时，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操纵能力，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，测量方式也很相似。跨导常以栅压转变1V时漏电流转变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，它表示在必然漏源电压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。 它表示在必然漏源电压VDS下，开始有漏电流时对应的栅源电压

13、值。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成心义。关于 增强型管，由于VGS = 0时尚未开启，固然就可不能有饱和电流了。5）、源漏击穿电压（BVDS）当栅源电压VGS为必然值时，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经受的最高

14、电压。结型场效应管的栅源击穿电压，事实上是单个pn结的击穿电压，因此测试方式与双极管BVEBO的测试方式相同。三、总结通过本次的学习，让我对单极型器件有了更深切的明白得，以下是单极型晶体管的作用 和分类。（1）作用：一、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，因此耦合电容能 够容量较小，没必要利用电解电容器。二、单极型晶体管很高的输入阻抗超级适合作阻抗变换。经常使用于多级放大器的输 入级作阻抗变换。3、单极型晶体管能够用作可变电阻。4、单极型晶体管能够方便地用作恒流源。五、单极型晶体管能够用作电子开关。（2）分类：单行管晶体管分类，单极型晶体管依照材料的不同可分为结型场效应管J FET （Junction Field Effect Transistor）（J-FET管）和绝缘栅型场效应管 IGFET（Insulated Gate FET）（MOS 管）。 依照导电方式的不同其中，MOS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。耗尽型那么是指，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，因此“耗尽”了载流子，使管子转向截止。