基础 IGBT晶体管选择与基本架构

随着大功率电源产品在市场中的份额逐渐增多，IGBT这种在大功率产品中越来越常见的器件开始受到人们的重视，本文就将对IGBT晶体管的基础结构进行介绍，并在正式开始之前为大家提供一些有助于IGBT选型的问题及解答，感兴趣的朋友快来看一看吧。

以下这5个问题，将从多个层面反映出如何为特定的应用选择适当的IGBT，以及非穿通（NPT）和穿通（PT）器件之间的差异。

1、什么是工作电压？ IGBT的关断电压最高应不超过VCES的80%。

2、这是硬或软开关？PT器件更适合于软开关，因其可以减少尾电流，但是NPT器件将一直工作。

3、流过IGBT的电流都有什么？首先用简短的语言对用到的电流做一个大致的介绍。对于硬开关应用，频率—电流图很有用，可帮助确定器件是否适合应用。在应用时需要考虑到数据表由于测试条件不同而存在的差异，如何做到这一点稍后将有一个例子。对于软开关应用，可从IC2开始着手。

4、什么是理想的开关速度？如果答案是“更高、更好”，那么PT器件是最好的选择。同样，使用频率—电流图可以帮助选择硬开关应用的器件。

5、短路承受能力必要吗？对于应用如马达驱动器，答案是肯定的，而且开关频率也往往是相对较低。这时将需要NPT器件。开关电源往往不需要短路耐受力。

基本结构

IGBT的基本结构和晶闸管类似，即一系列PNPN结。 这可以通过分析更详细的IGBT等效电路模型来解释，如图1所示。

图1 IGBT的寄生晶闸管模型

所有的N通道功率MOSFET都存在寄生NPN双极型晶体管，因此所有N3channel的IGBT也都存在。寄生NPN晶体管的基极是体区域，基极和发射极短接以防止晶体管开启。 但是请注意，体区域存在电阻，既体扩散电阻（body region spreading resistance），如图1所示。P型衬底，漂移区和体区域组成了IGBT的PNP部分。该PNPN结构形成了寄生晶闸管。如果寄生NPN晶体管开启并且NPN和PNP晶体管的增益和大于1，闭锁就发生了。 闭锁是通过优化IGBT的掺杂水平和设计不同区域的尺寸来避免的，如图1所示。

可以设定NPN和PNP晶体管的增益，使他们的总和不到1。 随着温度的升高，NPN和PNP晶体管的增益增大，体扩散电阻也增大。非常高的集电极电流可在体区域引起足够的电压降使得寄生NPN晶体管开启，芯片的局部过热使寄生晶体管的增益升高，这样他们的收益总和就超过1。

如果发生这种情况，寄生晶闸管就开始进入闩锁状态，而且IGBT无法被栅极关闭，且可能由于电流过大被烧毁。这是静态闭锁。高dv/dt关闭过程加上过度的集电极电流也可以显著地提高增益和开启寄生NPN晶体管。这是动态闭锁，这实际上限制了安全工作区，因为它可能会在比静态闭锁低得多的集电极电流下发生闭锁，这取决于关断时的dv/dt。通过在允许的最大电流和安全工作区内工作，可以避免静态和动态闭锁，且不用考虑dv/dt的问题。请注意，开启和关闭情况下的dv/dt，过冲（overshoot）和震荡（ringing）可由外部闸电阻设定（以及在电路布局上的杂散电感）。

本文针对新手，用几个问题作为开篇，从问题中反映出如何为特定的应用选择适当的IGBT。而后通过图文结合的方式为大家介绍了IGBT晶体管的基本结构，对于新手来说是一篇值得收藏的基础类文章，希望大家在阅读过本文之后能够有所收获。