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絕緣閘雙極電晶體

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三菱製大功率IGBT模塊
IGBT 的符號

絕緣柵雙極電晶體(英語:Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT),是半導體器件的一種,主要用於電動車輛鐵路機車動車組交流電電動機的輸出控制。傳統的BJT導通電阻小,但是驅動電流大,而MOSFET的導通電阻大,卻有著驅動電流小的優點。IGBT正是結合了這兩者的優點:不僅驅動電流小,導通電阻也很低。

構造[編輯]

這種電晶體結合了金屬氧化物半導體場效應電晶體MOSFET)的高電流單柵控制特性及雙極性電晶體的低飽和電壓的能力,在單一的IGBT器件裡,會透過把一個隔離的場效應電晶體(FET)結合,作為其控制輸入,並以雙極性電晶體作開關。

用途和特徵[編輯]

絕緣柵雙極電晶體其基本包裝為三個端點的功率級半導體元件,其特點為高效率及切換速度快,為改善功率級BJT運作的工作狀況而誕生。

IGBT結合了場效電晶體閘極易驅動的特性與雙極性電晶體耐高電流與低導通電壓壓降特性,IGBT通常用於中高容量功率場合,如切換式電源供應器馬達控制電磁爐。大型的IGBT模組應用於數百安培與六千伏特的電力系統領域,其模組內部包含數個單一IGBT元件與保護電路。

IGBT為近數十年發明產物,第一代IGBT產品於1980年代與1990年初期,但其切換速度不快且開關截止時易產生拴鎖現象二次崩潰現象,第二代IGBT產品便有很大的進展,第三代IGBT產品為目前主流,其切換速度英語Switching frequency直逼功率級MOSFET的速度並且在電壓電流容量上有很大的進步。

原理[編輯]

IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由於實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道,而這個通道卻具有很高的電阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特徵,IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS(on)特性,但是在高耐壓的器件上,功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降,轉換成一個低VCE(sat)的能力,以及IGBT的結構,同一個標準雙極器件相比,可支持更高電流密度,並簡化IGBT驅動器的原理圖。

導通[編輯]

IGBT矽片的結構與功率MOSFET的結構十分相似,主要差異是IGBT增加了P+基片和一個N+緩衝層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分)。如等效電路圖所示(圖1),其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P+和N+區之間創建了一個J1結。 當正柵偏壓使閘極下面反演P基區時,一個N通道形成,同時出現一個電子流,並完全按照功 MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0.7V範圍內,那麼,J1將處於正向偏壓,一些電洞注入N-區內,並調整陰陽極之間的電阻率,這種方式降低了功率導通的總損耗,並啟動了第二個電荷流。最後的結果是,在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲:一個電子流(MOSFET 電流);電洞電流(雙極)。

關斷[編輯]

當在閘極施加一個負偏壓或柵壓低於門限值時,通道被禁止,沒有電洞注入N-區內。在任何情況下,如果MOSFET電流在開關階段迅速下降,集電極電流則逐漸降低,這是因為換向開始後,在N層內還存在少數的載流子(少子)。這種殘餘電流值(尾流)的降低,完全取決於關斷時電荷的密度,而密度又與幾種因素有關,如摻雜質的數量和拓撲,層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特徵尾流波形,集電極電流引起以下問題:功耗升高;交叉導通問題,特別是在使用續流二極體的設備上,問題更加明顯。

鑑於尾流與少子的重組有關,尾流的電流值應與晶片的溫度、IC 和VCE密切相關的電洞移動性有密切的關係。因此,根據所達到的溫度,降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。

阻斷與閂鎖[編輯]

當集電極被施加一個反向電壓時, J1 就會受到反向偏壓控制,耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低這個層面的厚度,將無法取得一個有效的阻斷能力,所以,這個機制十分重要。另一方面,如果過大地增加這個區域尺寸,就會連續地提高壓降。 第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的壓降高的原因。

當閘極和發射極短接並在集電極端子施加一個正電壓時,P/N J3結受反向電壓控制。此時,仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。

IGBT在集電極與發射極之間有一個寄生PNPN晶閘管,如圖1所示。在特殊條件下,這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極與發射極之間的電流量增加,對等效MOSFET的控制能力降低,通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為IGBT閂鎖,具體地說,這種缺陷的原因互不相同,與器件的狀態有密切關係。通常情況下,靜態和動態閂鎖有如下主要區別:

當晶閘管全部導通時,靜態閂鎖出現。 只在關斷時才會出現動態閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區 。 為防止寄生NPN和PNP電晶體的有害現象,有必要採取以下措施: 防止NPN部分接通,分別改變布局和摻雜級別。 降低NPN和PNP電晶體的總電流增益。 此外,閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響,因此,它與結溫的關係也非常密切;在結溫和增益提高的情況下,P基區的電阻率會升高,破壞了整體特性。因此,器件製造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例,通常比例為1:5。

應用範圍[編輯]

電聯車電動車輛馬達驅動器、變頻冷氣、變頻冰箱,甚至是大瓦特輸出音響放大器的音源驅動元件。IGBT特點在於可以大功率場合可以快速做切換動作,因此通常應用方面都配合脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)與低通濾波器(Low-pass Filters)。

由於半導體元件技術的精進,半導體源料品質的提升,IGBT單價價格越來越便宜,其應用範圍更貼近家用產品範圍,不再只是高功率級的電力系統應用範疇,如電動車輛混合動力車的馬達驅動器便是使用IGBT元件,豐田汽車第二代混合動力車Prius II 便使用50kw IGBT模組變頻器控制兩組交流馬達/發電機 以便與直流電池組作電力能量之間的轉換。

相關條目[編輯]

參考來源[編輯]

引用
書目

外部連結[編輯]