IGBT基础 入门

　　IGBT，代表绝缘栅双极晶体管。它是具有绝缘栅极端子的双极晶体管。它将控制输入与 MOS 结构和双极功率晶体管结合在单个器件中，充当输出开关！

　　IGBT原理

　　IGBT 是一种具有三个端子的半导体器件，结合了双极结型晶体管 (BJT) 和金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的特性。这些特性包括高输入阻抗和低导通损耗，使 IGBT 适合高功率应用。

　　下图描述了 N 沟道 IGBT 的配置。金属连接将集电极、发射极和栅极端子连接到结构。由于存在四个交替层 PNPN，IGBT 具有其预期的操作特性。

　　IGBT 以两种主要模式工作，即正向阻断模式和导通模式。
　　当栅极和发射极处于地电位且集电极具有正电压时，J1 和 J3 变为正向偏置，而 J2 变为反向偏置，从而将 IGBT 置于正向阻断模式，从而阻止电流流动。
　　相反，当Gate和Collector有正电压，并且Emitter接地时，施加到Gate的电压会产生反转效应，通过连接栅极附近的n+和n-材料形成沟道。
　　这导致 n+ 区域中的电子被推向 n- 区域（漂移区域）的中心，从而降低结 J1 处的电势并导致空穴流入中心 n-区域。这终会产生空穴等离子体，使器件正向偏置并允许电流传导。
　　从下面所示的 IGBT 等效电路中可以看出，如果栅极 - 发射极 (GE) 和集电极 - 发射极 (CE) 路径均处于正偏压，则 N 沟道 MOSFET 导通，导致漏极电流流动。

　　漏极电流也流向 Q PNP的基极，导致 IGBT 导通。

　　由于 Q PNP的直流电流增益 (α)非常小，因此几乎整个发射极电流 (I E(pnp) ) 作为基极电流 (I B(pnp) ) 流动。然而，发射极电流的一部分作为集电极电流流动(IC (pnp) )。
　　集电极电流不会导通 Q NPN ，因为它绕过插入在 Q NPN基极和发射极之间的R BE。
　　因此，几乎 IGBT 的整个集电极电流都作为 N 沟道 MOSFET 的漏极电流通过 Q PNP的发射极-基极路径流动。
　　此时，空穴从Q PNP的发射极注入N沟道MOSFET的高阻漂移区。
　　这使得漂移区的电阻率(Rd (MOS) )显着降低，从而降低了导通期间的导通电阻。这种现象称为电导率调制。
　　请注意，电导率调制是通过掺杂、热处理、扩散、注入或电刺激来增加半导体电导率的过程。当导通期间电导率增加时，就会发生这种情况，从而降低电阻率。
　　简而言之，如果 MOSFET 不导通，则 BJT 不会导通。另一方面，如果 MOSFET 导通，BJT 将导通，因为会创建一条到 BJT 基极的电流路径，从而允许电流流过 BJT 的基极。
　　就开关速度而言，BJT 适用于中速，而 MOSFET 支持高频范围。
　　IGBT 是一种双极器件，利用电子和空穴两种类型的载流子，由输入端采用 MOSFET 结构、输出端采用双极结构的复合配置产生。这创造了一种功率晶体管，可以实现低饱和电压和相对快速的开关特性。
　　然而，尽管IGBT具有相对较快的开关特性，但它仍然不如功率MOSFET。
　　在许多 IGBT 应用中，存在一种续流电流从发射极流向集电极的模式。对于此续流操作，续流二极管 (FWD) 与 IGBT 反并联连接。
　　IGBT 在同一芯片上包含一个反并联二极管。这被称为RC-IGBT的反向导通IGBT。此类RC-IGBT的反向导通能力可以取代和去除续流二极管。这有助于增加更大（更高额定电流）芯片的芯片安装面积。更大的芯片面积也显着降低了结到外壳的热阻。
　　IGBT实践
　　简而言之，IGBT 是 MOSFET 和 BJT 的结合体，具有 MOSFET 的快速开关能力，并且能够处理 BJT 典型的高电流值。
　　此外，它们具有较低的通态压降，并且能够阻挡更高的电压。首先估计 IGBT 可以建模为由功率 MOSFET 驱动的 PNP 晶体管。
　　IGBT 输入的等效电路与 MOSFET 相同，均为纯电容性。这允许使用电压驱动，这意味着与 BJT 相比，可以使用不太复杂的电路和更低的功耗。
　　下一篇文章将介绍有关 IGBT 测试、IGBT 驱动器等的一些实用技巧。
　　那么，如何测试IGBT是否损坏呢？
　　首先目视观察IGBT是否烧毁、爆裂。
　　如果没有，请继续使用数字万用表的二极管测试位置测量 IGBT。如果测量值与正常值相差较大，则 IGBT 可能有故障。

　　这是一种粗暴的方法。下表总结了快速测试过程。

　　如果到目前为止一切顺利，您可以使用如下所示的测试设置运行相对简单的切换测试。这里可以使用9V电池或更大的电压源来提供所需的测试电压。但您应该注意 IGBT 栅极和发射极之间可施加的电压，通常为 ±20V (V GE )。测试设置也应进行相应修改。

　　注意，如果是好的 IGBT，按下 TEST 按钮时万用表将显示电压 (V CE )明显下降。
　　此外，通过使用函数发生器和示波器，您可以进一步了解被测 IGBT 的特性（可能是另一篇文章的故事）。
　　在了解 IGBT 驱动规则和概念时，请注意，IGBT 的输入特性与 MOSFET 类似，是由电压驱动的元件。即IGBT的开通和关断取决于Gate和Emitter之间的电压。由于栅极电容的原因，建议使用某些电路对输入电容进行充电和放电，以实现 IGBT 的开通和关断。
　　原则上，功率器件的栅极电压不会增加，除非其栅极输入电容被充电，并且功率器件在其栅极电压达到栅极阈值电压之前不会导通。
　　功率器件的栅极阈值电压定义为在其源极和漏极区域之间创建传导路径所需的栅极偏压。因此，为了将功率器件用作开关，应在栅极和源极/发射极端子之间施加比栅极阈值电压足够大的电压。
　　简单来说，栅极驱动器是一种功率放大器，它接受来自控制器电路的低功率输入，并为功率器件开发适当的栅极驱动。栅极驱动器至关重要，尤其是当控制器电路无法提供驱动相关功率器件的栅极电容所需的充足输出时。
　　同样，IGBT驱动器是根据控制信号对IGBT栅极进行快速充电和放电，使其正常导通和关断的元件/电路。
　　另外，栅极电阻可以决定 IGBT 开关时间和损耗、EMI、dv/dt、di/dt 等。必须根据各个应用参数非常仔细地选择和优化它（产品规格表中列出的栅极电阻为的值，以减少开关损耗，因此必须根据电路或工作条件选择值）。