晶體管IGBT基礎知識闡述：
IGBT晶體管基礎知識在技術講解之前的?；卮鹣铝械闹匾獑栴}，將有助于為特定的應用選擇適當?shù)腎GBT。 非穿通（NPT）和穿通（PT）器件之間的差異，以及術語和圖表將稍后解釋。
1. 什么是工作電壓？ IGBT的關斷電壓最高應不超過VCES的80%。
2. 這是硬或軟開關？PT器件更適合于軟開關，因其可以減少尾電流，但是，NPT器件將一直工作。
3.流過IGBT的電流都有什么？首先用簡短的語言對用到的電流做一個大致的介紹。對于硬開關應用，頻率—電流圖很有用，可幫助確定器件是否適合應用。在應用時需要考慮到數(shù)據(jù)表由于測試條件不同而存在的差異，如何做到這一點稍后將有一個例子。對于軟開關應用，可從IC2開始著手。
4.什么是理想的開關速度？如果答案是“更高，更好”，那么PT器件是最好的選擇。同樣，使用頻率—電流圖可以幫助選擇硬開關應用的器件。
5.短路承受能力必要嗎？對于應用如馬達驅(qū)動器，答案是肯定的，而且開關頻率也往往是相對較低。這時將需要NPT器件。開關電源往往不需要短路耐受力。
IGBT概述
一個N溝道IGBT基本上是一個N溝道功率MOSFET構(gòu)建在p型襯底上，圖1為通常的IGBT橫截面。（PT IGBT有一個額外的N+層，并將加以解釋。）因此，使用IGBT和使用功率MOSFET非常相似。從發(fā)射極到柵極之間加一個正的電壓，使得電子從Body流向柵極。 如果門-發(fā)射極電壓達到或超過所謂的閾值電壓，足夠多的電子流向柵極跨過Body形成一個導電通道，允許電流從集電極流向發(fā)射極。（準確地說，它使得電子從發(fā)射極流向集電極。）這種電子流吸引陽離子或空穴從p型襯底經(jīng)漂移區(qū)到達集電極。如圖2所示，為IGBT的簡化等效電路圖。
圖1：N溝道IGBT的橫截面。
圖2：IGBT的簡化等效電路圖。
圖2的左邊電路圖為一個N溝道功率MOSFET驅(qū)動一個大襯底PNP雙極晶體管，為達林頓連接。右邊電路圖簡單地顯示了一個N溝道功率MOSFET在漏極串聯(lián)二極管的情形。乍看之下，似乎IGBT兩端的開態(tài)電壓比一個N溝道功率MOSFET本身兩端的開態(tài)電壓高一個二極管的壓降。這是真正的事實，即IGBT兩端的開態(tài)電壓始終是至少有一個二極管壓降。 然而，相比功率MOSFET，在相同的裸片尺寸下，工作在相同的溫度和電流的情況下，IGBT可以明顯降低開態(tài)電壓。原因是，MOSFET僅僅是多子（多數(shù)載流子）器件。 換言之，在N溝道 MOSFET中，只有電子在流動。 如前所述，N溝道IGBT的p型襯底會將空穴注入到漂移區(qū)。因此，IGBT的電流里既有電子又有空穴。這種空穴（少子）的注入大大減少了漂移區(qū)的等效電阻。另有說明，空穴注入大大增加了電導率，或?qū)щ娦员徽{(diào)制。由此減少了開態(tài)電壓是IGBT相比功率MOSFET的主要優(yōu)勢。
當然，世界上沒有免費的午餐，較低的開態(tài)電壓的代價是開關速度變慢，特別是在關閉時。 原因是，在關斷時，電子流可以突然停止，就跟在功率MOSFET中一樣，通過降低柵極和發(fā)射極之間的電壓使其低于閾值電壓。然而，空穴仍然留在漂移區(qū)，除了電壓梯度和中和沒有辦法移除它們。IGBT在關閉期間的尾電流一直要持續(xù)到所有的空穴被中和或被調(diào)制。調(diào)制率是可以控制的，這是圖1中N +緩沖層的作用。 這種緩沖層在關閉期間迅速吸收捕獲的空穴。 并非所有的IGBT納入一個n+緩沖層; 那些被稱為穿通型（PT）的有，那些被稱為非穿通型（NPT）的沒有。 PT IGBTs 有時被稱為不對稱的，NPT是對稱的。
其他的較低的開態(tài)電壓的代價是，如果IGBT的運作超出規(guī)格的范圍，那么會存在閂鎖的可能。閉鎖是IGBT的一種失效模式既IGBT再也不能被柵極關閉。任何對IGBT的誤用都將誘發(fā)閉鎖。 因此，IGBT的閉鎖失效機理需要一些解釋。
基本結(jié)構(gòu)
IGBT的基本結(jié)構(gòu)和晶閘管類似，即一系列PNPN結(jié)。 這可以通過分析更詳細的IGBT等效電路模型來解釋，如圖3所示。
圖3：IGBT的寄生晶閘管模型。
所有的N通道功率MOSFET都存在寄生NPN雙極型晶體管，因此所有N3channel的IGBT也都存在。寄生NPN晶體管的基極是體區(qū)域，基極和發(fā)射極短接以防止晶體管開啟。 但是請注意，體區(qū)域存在電阻，既體擴散電阻（body region spreading resistance），如圖3所示。 P型襯底，漂移區(qū)和體區(qū)域組成了IGBT的PNP部分。該PNPN結(jié)構(gòu)形成了寄生晶閘管。 如果寄生NPN晶體管開啟并且NPN和PNP晶體管的增益和大于1，閉鎖就發(fā)生了。 閉鎖是通過優(yōu)化IGBT的摻雜水平和設計不同區(qū)域的尺寸來避免的，如圖1所示。
可以設定NPN和PNP晶體管的增益，使他們的總和不到1。 隨著溫度的升高，NPN和PNP晶體管的增益增大，體擴散電阻也增大。非常高的集電極電流可在體區(qū)域引起足夠的電壓降使得寄生NPN晶體管開啟，芯片的局部過熱使寄生晶體管的增益升高，這樣他們的收益總和就超過1。如果發(fā)生這種情況，寄生晶閘管就開始進入閂鎖狀態(tài)，而且IGBT無法被柵極關閉，且可能由于電流過大被燒毀。這是靜態(tài)閉鎖。高dv/dt關閉過程加上過度的集電極電流也可以顯著地提高增益和開啟寄生NPN晶體管。這是動態(tài)閉鎖，這實際上限制了安全工作區(qū)，因為它可能會在比靜態(tài)閉鎖低得多的集電極電流下發(fā)生閉鎖，這取決于關斷時的dv / dt。通過在允許的最大電流和安全工作區(qū)內(nèi)工作，可以避免靜態(tài)和動態(tài)閉鎖，且不用考慮dv / dt的問題。請注意，開啟和關閉情況下的dv / dt，過沖（overshoot）和震蕩（ringing）可由外部閘電阻設定（以及在電路布局上的雜散電感）。
對稱柵極IGBT電路分析與設計：
1. 引言
IGBT是MOSFET和雙極晶體管的復合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動的特點，又具有功率晶體管高電壓、大電流等優(yōu)點。正常情況下工作頻率為幾十kHz，多用在頻率較高的應用場合，中、大功率應用占據(jù)著主導地位。IGBT和其它電力電子器件一樣，實用性還依賴于電路條件和開關環(huán)境，性能可靠工作的必要條優(yōu)良的驅(qū)動是保證IGBT高效、可靠工作的必要條件。在設計工作中IGBT的驅(qū)動電路是電路設計的控難點和關鍵。本文對IGBT的開通與關斷過程、控制特性進行了分析研究，介紹了一種對稱柵極控制驅(qū)動電路的設計方法。
2. IGBT柵極控制特性
IGBT模塊的開關行為（導通和關斷）取決于它的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部電容（電荷）以及內(nèi)部和外部阻抗。當需要計算IGBT驅(qū)動電路的輸出功率時，關鍵的參數(shù)是柵極電荷，柵極電荷由等效輸入電容CGC和CGE決定，如圖1所示。導通過程可分為三個階段，分別為柵極-發(fā)射極電容充電階段、柵極-集電極電容充電階段和柵極-發(fā)射極電容充電直到IGBT完全飽和階段。
2.1 IGBT的開通過程
IGBT開通與關斷時動態(tài)波形如圖2所示。在t0時刻，觸發(fā)脈沖上升沿作用于柵極，柵極電流IG對輸入電容CGE充電，VGE并不能垂直上升，當VGE在t1時刻達到柵極閾值電壓VGE（th），此階段無集電極電流流過，并且VCE與VCC相等。
圖2 IGBT開通關斷過程的動態(tài)波形
從t1時刻開始，集電極電流Ic從0開始上升，同時也在LE上感應出一個反電勢，隨Ic的上升而增大，由于其方向是與VGE相反的，故此對VGE的大小和上升率呈現(xiàn)抵消作用，同時它又制約和減緩了Ic的增長。CGC所存在的“密勒”效應亦對VGE產(chǎn)生了不利的影響。
在t2時刻，Ic達到最大值，VGE開始下降，并由此使G-C等效電容CGC放電，這相當于在驅(qū)動電路中增加了一種容性電流ICGE，使驅(qū)動電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，造成VGE進一步降低，其波形在t2-t3段上呈現(xiàn)一種上升趨勢的凹形?？梢钥闯鲵?qū)動電路的內(nèi)阻抗越低，容性電流ICGE對它的影響就越小。當VGE下降到接近于0（管壓降）時，ICGE的影響就微不足道了。ICGE的出現(xiàn)，不但降低了VGE，同時也就延緩了IGBT的開通過程。
在t3時刻VGE下降到接近于0的管壓降穩(wěn)定值，Ic也進入穩(wěn)態(tài)值階段，此時IGBT進入飽和導通狀態(tài)，抑制和阻礙VGE上升的不利因素都已消失，至故此VGE能以較快的上升率進入到最大穩(wěn)定值，此IGBT的開導過程結(jié)束。
以上分析的結(jié)果表明，IGBT的LE、CGC和驅(qū)動電路的電阻都將影響IGBT的開通速度，為此應盡量選擇LE、CGC小的IBGT，同時也應采用內(nèi)阻小的驅(qū)動電路。
2.2 IGBT的關斷過程
IGBT關斷時的波形如圖2所示。在t‘0時刻，觸發(fā)脈沖下降沿作用于柵極，由于CGE的影響，使VGE不能垂直下降，而是以一定斜率下降，在t’0-t‘1期間，Ic、VCE維持不變。
當VGE下降到一定程度，t’1時刻后，IGBT進入線性放大工作狀態(tài)，VCE開始上升，CGC的密勒效應主宰著VCE的上升率。
當在t‘2時刻VCE達到動態(tài)峰值時，Ic按一定斜率下降至0，同時CGE+CGC的放電作用消失，VGE自t’2下降至t‘3時為0值，VCE進入穩(wěn)定狀態(tài)，關斷過程結(jié)束。為使關斷可靠，關斷觸發(fā)脈沖為負脈沖。
以上分析的結(jié)果表明，IGBT的CGC、CGE都對關斷過程起到延緩和阻礙的作用，故此要選擇CGC、CGE小的IGBT，另一個方面內(nèi)阻小的驅(qū)動電路，能使CGC、CGE的充放電電流增加，可以加速UGE下降和UCE上升的速率。
3. IGBT的驅(qū)動電路
3.1 IGBT的柵極驅(qū)動要求
?。?）柵極電壓
IGBT的柵極電容比較大，因此要提高其開關速度，就要有合適的柵極正反向偏置電壓，任何情況下開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動電壓都不能超過參數(shù)表給出的限定值（一般為20V），這是因為IGBT的柵極通過氧化膜和發(fā)射極實現(xiàn)電隔離，由于氧化膜因此柵很薄，其擊穿電壓一般只能達到20到30V，極擊穿是IGBT最常見的失效原因之一。
最佳柵極正向偏置電壓為15V±10%，這個值足夠令IGBT飽和導通，使導通損耗至最小。雖然柵極電壓為零就可使IGBT處于截止狀態(tài)，但是為了減小關斷時間，提高IGBT的耐壓、dV/dt耐量和抗干擾能力，一般在使IGBT處于阻斷狀態(tài)時，可在柵極與源極之間加一個-5至-15V的反向電壓。
?。?）柵極串聯(lián)電阻
柵極電阻影響IGBT的開關時間、開關損耗、反向偏置安全運行區(qū)域、短路電流安全運行區(qū)域、EMI、dv/dt、di/dt和續(xù)流二極管的反向恢復電流。柵極電阻必須按照各個應用參數(shù)仔細選擇和優(yōu)化，如：IGBT技術、二極管、開關頻率、損耗、應用布局、電感/雜散電感、直流環(huán)節(jié)電壓和驅(qū)動能力。
柵極驅(qū)動電壓的上升、下降速率對IGBT的開通和關斷過程有著較大的影響。在高頻應用場合，驅(qū)動電壓的上升、下降速率應盡量快一些，以提高IGBT的開關速度，降低損耗。減小柵極串聯(lián)電阻，可以提高IGBT的開關速度，降低開關損耗，用戶可根據(jù)實際應用的頻率范圍，選擇合適的柵極驅(qū)動電阻。
在正常情況下IGBT的開通速度越快，損耗越小。但在開通過程中如有續(xù)流二極管的反向恢復電流和吸收電容的放電電流，則開通的越快，IGBT承受的峰值電流越大，越容易導致IGBT損壞。因此應該降低柵極驅(qū)動電壓的上升速率，既增加柵極串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價是開通過程的電流峰較大的開通損耗。利用此技術，開通過程的電流峰值可以控制在任意值。
由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動電路內(nèi)阻抗對IGBT開通過程影響較大，而對關斷過程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關斷速度，減小關斷損耗。但過小會導致di/dt過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰，因此對串聯(lián)電阻要根據(jù)具體設計要求全面綜合考慮，如圖3、4所示為在IGBT開通和關斷時柵極驅(qū)動電阻對di/dt的影響曲線。
圖3 IGBT開通時柵極串聯(lián)電阻對di/dt的影響???????????????????????????????? 圖4 IGBT關斷時柵極串聯(lián)電阻對di/dt的影響
柵極驅(qū)動電阻對驅(qū)動脈沖的波形也有影響。電阻值過小時會造成脈沖振蕩，過大時脈沖的前后沿會發(fā)生延遲或變緩。IGBT柵極輸入電容CGE隨著其額定容量的增加而增大。為了保持相同的脈沖前后沿速率，對于電流容量大的IGBT器件，應提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)的電阻的阻值應隨著IGBT電流容量的增大而減小。
柵極驅(qū)動電阻RG的取值應該以所驅(qū)動的IGBT數(shù)據(jù)表中RG值作參考，再根據(jù)IGBT的電流容量和電壓額定值以及開關頻率的不同綜合考慮。
?。?）驅(qū)動功率要求
IGBT的開關過程要損耗一定的來自驅(qū)動電源的功率，柵極正反向偏置電壓之差△VGE，工作頻率為f，柵極電容CGE，則電源的最小峰值電流為：
IG=±VGE/RG （1）
驅(qū)動電源的平均功耗為：
PG=CGE△VGE2f （2）
3.2 一種用于大功率IGBT的驅(qū)動電路
圖5 對稱柵極控制驅(qū)動電路
如圖5所示，柵極驅(qū)動電壓由觸發(fā)脈沖通過推挽輸出電路提供。當觸發(fā)脈沖為高電平，V5截止，推挽輸出電路基極為低電平，V3截止，V4導通，從負載抽取電流，柵極得到負壓封鎖電平。
當觸發(fā)脈沖為低電平，V5導通，推挽輸出電路基極為高電平，V3導通，V4截止，向負載灌電流，柵極得到正壓導通電平。
這樣一來，推挽輸出電路基極為高低電平時，V3一路和V4一路交替工作，從而減輕了功耗，提高了每個管子的承受能力。又由于無論走哪一路，管子導通電阻都很小，使RC常數(shù)很小，轉(zhuǎn)彎速度很快，因此推挽式輸出電路既提高了電路的負載能力，又提高了開關速度。
在圖5的驅(qū)動電路中，調(diào)節(jié)R1C1的時間常數(shù)，可以加快和延緩IGBT的開通時間，改變占空比，同時在半橋驅(qū)動模式中，也就改變了上下橋臂的死區(qū)時間。圖6是占空比為50%的上下橋臂的柵極驅(qū)動死區(qū)時間波形圖，死區(qū)時間不到4μs。圖7是給C1電容增大0.1μF后上下橋臂的柵極驅(qū)動死區(qū)時間波形圖，死區(qū)時間高達24μs，占空比為43%。所以根據(jù)柵極驅(qū)動的脈沖波形，合理調(diào)配R1C1時間常數(shù)，避免死區(qū)時間太大，波形失真，效率低?；蛘咚绤^(qū)時間太小，容易炸管。
圖6 正常的柵極驅(qū)動死區(qū)時間??????????????????????????????????????????????????????????? 圖7 增大的柵極驅(qū)動死區(qū)時間
3.3 柵極驅(qū)動電阻的設計和布局
對于大功率的IGBT，由于柵級電阻RG上流過幾安培的驅(qū)動電流，建議使用電阻并聯(lián)的形式，如圖8、9所示。如果一個柵極電阻損壞，系統(tǒng)可臨時運行，避免損壞IGBT，也有利于增強熱擴散。
在圖9中，反并接的二極管V219的作用是加快其功率器件IGBT的關斷速度。二極管的選取除了考慮快速性和耐壓值之外，正向?qū)娏髦狄欢ㄒ獫M足驅(qū)動回路的關斷電流，否則容易損壞二極管。其中，RG（OFF）的阻值為R214、R215、R216的并聯(lián)阻值。
IG（OFF）=-VGE/RG（OFF） （3）
圖8 并聯(lián)柵極電阻的PCB布局???????????????????????????? ?????????????????????????????????? 圖9 并聯(lián)柵極電阻RG的原理圖示
4. 結(jié)束語
本文對IGBT的開通和關斷時的柵極控制特性進行了較詳細的分析，分析和試驗結(jié)果表明，合理的布線設計和驅(qū)動電路設計是保證IGBT開關電路正常和可靠工作的重要前提。