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绝缘栅双极晶体管知识: IGBT对比功率MOSFET和BJT的优势

关键词:绝缘栅双极晶体管 IGBT MOSFET BJT

时间:2021-08-13 15:35:19      来源:网络

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是少数载流子器件,具有高输入阻抗和较大的双极载流能力。许多设计人员将IGBT视为具有MOS输入特性和双极性输出特性的器件,它是一种压控双极性器件。为了利用功率MOSFET和BJT的优点,引入了IGBT。它是单片形式的功率MOSFET和BJT器件的功能集成。它结合了两者的最佳属性,以实现最佳的器件特性[2]。

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是少数载流子器件,具有高输入阻抗和较大的双极载流能力。许多设计人员将IGBT视为具有MOS输入特性和双极性输出特性的器件,它是一种压控双极性器件。为了利用功率MOSFET和BJT的优点,引入了IGBT。它是单片形式的功率MOSFET和BJT器件的功能集成。它结合了两者的最佳属性,以实现最佳的器件特性[2]。

IGBT适用于电力电子领域的许多应用,尤其是在需要高动态范围控制和低噪声的脉宽调制(PWM)伺服和三相驱动器中。它也可以用于不间断电源(UPS),开关电源(SMPS)和其他要求高开关重复频率的电源电路中。IGBT改善了动态性能和效率,并降低了可听噪声水平。它同样适用于谐振模式转换器电路。经过优化的IGBT可提供低传导损耗和低开关损耗。

IGBT优于功率MOSFET和BJT的主要优点是:

由于电导率调制,它具有非常低的导通状态电压降,并具有出色的导通状态电流密度。因此,较小的芯片尺寸是可能的,并且可以降低成本。

由于输入MOS栅极结构,驱动功率低,驱动电路简单。与高电压和高电流应用中的电流控制设备(晶闸管,BJT)相比,它易于控制。

广泛的SOA。与双极型晶体管相比,它具有出色的电流传导能力。它还具有出色的正向和反向阻止功能。

基本结构

图1显示了基于DMOS工艺的典型N沟道IGBT的基本原理图。这是该器件可能采用的几种结构之一。显然,除了P +注入层以外,IGBT的硅横截面与垂直功率MOSFET的硅横截面几乎相同。它与N +源区共享相似的MOS栅极结构和P阱。顶部的N +层是源极或发射极,底部的P +层是漏极或集电极。制作P沟道IGBT也是可行的,为此,每层中的掺杂分布将颠倒。IGBT具有包括四层NPNP结构的寄生晶闸管。该晶闸管的导通是不希望的。


通用N沟道IGBT的示意图[2]

某些没有N +缓冲层的IGBT被称为非穿通(NPT)IGBT,而具有该层的IGBT被称为穿通(PT)IGBT。如果适当地选择该层的掺杂水平和厚度,则该缓冲层的存在可以显着提高器件的性能。尽管存在物理上的相似之处,但IGBT的操作比功率MOSFET的操作更接近功率BJT的操作。这是由于P +漏极层(注入层)负责将少数载流子注入到N-漂移区并导致电导率调制。


IGBT的等效电路模型[2]

根据该结构,可以绘制一个简单的IGBT等效电路模型,如图2所示。它包含MOSFET,JFET,NPN和PNP晶体管。PNP的集电极连接到NPN的基极,NPN的集电极通过JFET连接到PNP的基极。NPN和PNP晶体管代表构成可再生反馈环路的寄生晶闸管。电阻器RB代表NPN晶体管的基极-发射极的短路,以确保晶闸管不会闭锁,这将导致IGBT闭锁。JFET表示任何两个相邻IGBT单元之间的电流收缩。它支持大多数电压,并允许MOSFET为低电压类型,因此RDS(on)值较低。IGBT的电路符号如图3所示。


IGBT电路符号

操作模式

当在集电极到发射极的端子之间施加正电压,并且栅极短路到发射极时,如图1所示,器件进入正向阻塞模式,结点J1和J3被正向偏置,结点J2被反向偏置。耗尽层在结J2的两侧上部分地延伸到P基区和N漂移区中。

当在图1所示的集电极-发射极两端施加负电压时,结J1变为反向偏置,其耗尽层延伸到N-漂移区。反向阻断期间的击穿电压由P +集电极/ N-漂移区/ P基极区形成的开基BJT决定。如果N-漂移区的掺杂非常轻,则该器件很容易击穿。可以通过优化N-漂移区的电阻率和厚度来获得所需的反向电压能力。

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