IGBT的结构与工作原理+测量方法详细讲解

sukiyaki

IGBT全称绝缘栅双极晶体管，它是由BJT（双极型晶体管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电子电力器件，即具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极型功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。
IGBT的结构

IGBT在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道功率管MOSFET的N+基板（漏极）上加了一个P+基板（IGBT）的集电极，行成PN结J1，并由此引出漏极，栅极和源极则完全与MOSFET相似。

如图所示：

正是由于IGBT是在N沟道MOSFET的N+基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNP-NPN晶体管构成IGBT。但是，PNP晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽量使NPN不起作用。所以说，IGBT的基本工作与NPN晶体管无关，可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极，PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。

IEC规定：

• 源极引出的电极端子（含电机端）称为发射极端（子）；
• 漏极引出的电极端（子）称为集电极端（子）；
• 栅极引出的电极端（子）称为栅极端（子）。
  
  

N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极，沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源极之间的P型区（包括P+和P-区，沟道在该区域形成），称为亚沟道区。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区，它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT的工作原理

N沟道的IGBT工作是通过栅极-发射极间加阀值电压Vth以上的（正）电压，在栅极电极正下方的P层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的N-层注入电子。该电子为NPN晶体管的少数载流子，从集电极衬底P+层开始流入空穴，进行电导率调制（双极工作），所以可以降低集电极-发射极间饱和电压。在发射极电极侧形成NPN寄生晶体管。若NPN寄生晶体管工作，又变成P+ N- PN+晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制，一般将这种状态称为闭锁状态。

工作等效电路/IGBT电气符号如图所示：

1.导通

当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率管MOSFET的方式产生电子流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区域内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体内临时出现两种不同的电流拓扑：即电子流（功率MOSFET电流）和空穴电流（双极）。当VGE大于开启电压VGE（th）时，功率MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

2.关断

在IGBT栅极-发射极间施加反压或不加信号时，功率MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。在电感负载关断状态，电压以几伏到电源电压之间波动，电流从恒定电流到零之间变化。为了避免发生“动态锁定”状态，利用栅极驱动电阻来降低关断dv/dt并维持一定的电子流。

3.反向阻断

当IGBT集电极被施加一个反向电压时，J1就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力。如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地使压降增大。这也说明了NPT型IGBT器件的压降比PT型IGBT器件的压降高的原因（Ic和速度相同）。在反向运动状态下，IGBT集电极端的PN结处于截止状态。因此，与功率MOSFET不同的是，IGBT不具备反向导通的能力。

4.正向阻断

当IGBT栅极和发射极短接并在集电极端施加一个正向电压时，J3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。当集电极-发射极电压Vce为正，且栅极-发射极电压Vce小于栅极-发射极开启电压VGE（th）时，在IGBT的集电极和发射极端子之间仅存在着一个很小的集电极-发射极漏电流ICES。ICES随VCE增加而略微增加。当VCE大于某一特定的最高允许的集电极-发射极电压VCE时，IGBT会出现锁定效应。从物理角度来说，VCES对应了IGBT结构中PNP双极式晶体管的击穿电压VCER。出现锁定现象时，由集电极-基极二极管引起的电流放大效应，可能会导致双极晶闸管的开通，进而导致IGBT的损坏。NPN晶体管的基极和发射极区几乎被金属化的发射极所短路，它们之间只是被P+阱区的横向电阻所隔开。

5.锁定

IGBT是P-N-P-N+四层材料构成的，当需要条件（αNPN+αPNP>1）满足时，IGBT导通，在极低的电压下，即使不加栅压，器件也能通过很大的电流，这种现象称为锁定。

测量方法

1.判断极性

• 首先将万用表拨在RX1K欧档，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍无穷大，则判断此极为栅极（G）；
• 其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（C）；
• 黑表笔接的为发射极（E）.
  
  

2.判断好坏

将万用表拨在RX10K欧档，用黑表笔接IGBT的集电极（C），红表笔接IGBT的发射极（E），此时用万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IGBT被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT是好的。

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