IGBT的等效電路

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT的等效電路

IGBT的近似等效電路由 MOS 管和 PNP 晶體管（Q1 ）組成，考慮到 n- 漂移區(qū)提供的電阻，電阻 Rd已包含在電路中，如下圖所示：

IGBT 的近似等效電路

仔細(xì)檢查 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)，可以得出這個(gè)等效電路，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

等效電路圖的基本結(jié)構(gòu)

1、穿通 IGBT、PT-IGBT： 穿通 IGBT、PT-IGBT 在發(fā)射極接觸處具有 N+ 區(qū)。

觀察上面顯示 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)，可以看到到從集電極到發(fā)射極存在另一條路徑，這條路徑是集電極、p+、n- 、 p（n 通道）、n+ 和發(fā)射極。

因此，在 IGBT 結(jié)構(gòu)中存在另一個(gè)晶體管 Q2作為 n – pn+，因此，我們需要在近似等效電路中加入這個(gè)晶體管 Q2以獲得精確的等效電路。

IGBT 的確切等效電路如下所示：

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IGBT的精確等效電路圖

該電路中的Rby是 p 區(qū)對(duì)空穴電流的流動(dòng)提供的電阻。

眾所周知，IGBT是 MOS 管的輸入和 BJT 的輸出的組合，它具有與N溝道MOS管和達(dá)林頓配置的PNP BJT等效的結(jié)構(gòu)，因此也可以加入漂移區(qū)的電阻。

IGBT的等效電路大全

圖4 是N型IGBT的等效電路。等效NPN管是MOSFET形成時(shí)寄生的；等效JFET主要是由漂移區(qū)形成的；等效電阻RB主要由基區(qū)等效電阻構(gòu)成，也包括漂移區(qū)、緩沖區(qū)（NPT型除外）、源區(qū)的等效電阻；等效PNP管才是導(dǎo)電通道的主角。

圖4 IGBT的等效電路

在正常情況下，JFET相當(dāng)于串聯(lián)在MOSFET漏極與PNP管基極之間的電阻RD，簡(jiǎn)化電路如圖5（a）所示，這是目前比較常見的等效電路。這時(shí)候寄生的NPN管與PNP管相當(dāng)于一個(gè)SCR，故IGBT的等效電路可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖5 （b），這正是IGBT 電流密度比BJT大的內(nèi)在原因。

圖5 簡(jiǎn)化后的IGBT等效電路（1）

正常情況下，寄生的NPN管并不起作用，故 IGBT 等效電路又可簡(jiǎn)化為圖6。這時(shí)候的IGBT 就是一個(gè)VMOS+PNP型的BJT，相當(dāng)于一個(gè)VMOS輸入級(jí)的NPN達(dá)林頓管，而輸出級(jí)是一個(gè)BJT，故IGBT容易驅(qū)動(dòng)且輸出特性與BJT類似。由于達(dá)林頓管的極性最終由輸入級(jí)決定、與輸出級(jí)無關(guān)，而輸入級(jí)的MOSFET是N溝道的，形成的達(dá)林頓也是NPN型的，因此等效 PNP管的集電極是IGBT的發(fā)射極，而等效 PNP管的發(fā)射極是IGBT的集電極。

圖6 簡(jiǎn)化后的IGBT微觀等效電路（2）

對(duì)于BJT而言，早期大功率PNP管的性能往往不如NPN管，所以常常用一個(gè)PNP的小功率管與一個(gè)大功率的NPN管組成一個(gè)大功率的PNP達(dá)林頓管，很好地解決了大功率NPN管與PNP管性能不對(duì)等的問題。但是，雙極性達(dá)林頓管的速度遠(yuǎn)低于BJT，所以即使是同等 電 流規(guī)格，達(dá)林頓管也不能與IGBT相媲美。

如果將IGBT看成一個(gè)P-N-P-N 4 層結(jié)構(gòu)的器件，也可以將IGBT看作圖1. 17所示更為簡(jiǎn)化的等效電路。這個(gè)等效電路可以解釋IGBT的飽和壓降為什么至少為一個(gè)二極管的壓降；也能夠說明，在低 電壓領(lǐng)域，VMOS的自身功耗更小。

圖7 簡(jiǎn)化后的IGBT 等效電路（3）