IGBT的深入解析

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种集多种优点于一身的功率半导体全控型器件。它融合了MOSFET的高输入阻抗、低控制功率、简单驱动电路以及快速开关速度，同时又不失BJT的大通态电流、低导通压降及小损耗。正因如此，IGBT在电路中能显著提升功率转换、传送和控制的效率，助力节约能源、优化控制水平。因此，IGBT已成为中高功率电力电子领域的核心开关器件，其应用广泛，涵盖新能源汽车、轨道交通、智能电网、绿色能源、家电以及工业等多个领域。

IGBT的结构演变

IGBT的栅工艺技术已从早期的平面栅发展至现今的沟槽栅。沟槽栅结构的引入显著消除了平面栅中的JFET电阻，并提供了垂直电流路径，从而大幅降低了导通状态下的压降。这一技术进步不仅提升了IGBT的性能，还为其在电力电子领域的应用带来了更广泛的适用性。

IGBT的结构与演变

IGBT，作为电力电子领域的重要器件，其结构演变与栅工艺技术的进步密不可分。从早期的平面栅到现今的沟槽栅，这一技术革新显著降低了IGBT在导通状态下的压降，提升了其整体性能。IGBT拥有三个关键电极：栅极、集电极和发射极，其结构与MOSFET相似，但关键区别在于N沟道MOSFET的漏极N+区被替换为一个重掺杂的P+区，从而形成了独特的新PN结。这一改进使得IGBT成为由PNP型晶体管和N-MOSFET构成的达林顿结构复合器件，为电力电子应用带来了更广泛的适用性。

IGBT的工作原理

图3描绘了IGBT在导通状态下，内部载流子的流动情况。当栅极电压VGE超过阈值电压VTH，且集电极与发射极间的电压VCE高于7V时，IGBT便进入导通状态。在此状态下，沟槽栅侧面的P型基区会形成反型层，进而构成N沟道。电子会从N+发射区流向N-漂移区，导致N-漂移区的电位有所下降。同时，靠近集电极的PN结J会处于正偏状态，使得P+注入区的大量空穴能够流向N-漂移区，这既增加了载流子的浓度，又降低了N-漂移区的电阻，从而产生了电导调制效应。这一效应使得高耐压的IGBT在导通时能够展现出较低的压降。在IGBT关断的过程中，栅极电压一旦低于阈值电压VTH，IGBT便进入关断状态。这一过程同样可以分为两个阶段来理解。首先，由于栅极电压的降低，N沟道被关闭，这标志着MOSFET的关断过程的开始。随后，随着沟道的关闭，N-漂移区无法再接受来自发射区的电子。然而，N-漂移区中仍然存在大量来自P+注入区的空穴。这些剩余的载流子只能通过缓慢的复合过程来移除，从而形成了一个较长的拖尾电流阶段。在这个阶段中，电流的下降速度相对较慢。当拖尾电流最终降至零时，IGBT便彻底关闭了。

IGBT的开关特性研究

IGBT在电机控制和变频领域有着广泛的应用，其开启和关断操作频繁，因此深入了解IGBT的开关特性显得尤为重要。为了探究IGBT在感性负载下的动态特性，我们设计了相应的测试电路，如图5所示。图5展示了感性负载下的IGBT动态特性测试电路图。该电路中，VG代表栅极电源，RG为栅极电阻，VCC则是为IGBT集电极供电的母线电压。L代表电感负载，而与其并联的续流二极管（FWD）起到保护电路的作用。通过调节栅极电压VGE，我们可以控制IGBT的开启和关断，进而观察其动态特性。

在IGBT的开启阶段，一旦对栅极-发射极施加正向电压，栅极电容便开始充电。当IGBT进入开启状态时，其栅极-发射极电压VGE、集电极-发射极电压VCE以及集电极-发射极电流ICE的波形如图6所示。图6展示了IGBT开启过程中电流和电压的变化情况。在t0至t的阶段，栅极驱动电源VG开始为栅极电容CGE充电，VGE以恒定速率上升，但尚未触及阈值电压VTH，因此VCE保持母线电压VCC不变，而ICE则为0。

进入t至t3的阶段，一旦VGE达到IGBT的阈值电压VTH，导电沟道形成，器件开始开启。ICE从0逐渐增至额定电流IL。然而，由于续流二极管的反向恢复电流作用，ICE会短暂超过IL，达到电流峰值IMAX，随后迅速回落至稳定开启状态下的IL。同时，VCE在t至t3内因回路杂散电感LS的影响，先略降后于t2时刻迅速下降，至t3时接近饱和导通电压VON。

随后在t3至t4阶段，栅极驱动电源VG开始为IGBT的密勒电容CGC充电，VGE保持平台电压VGP不变直至密勒电容充满。此时，ICE和VCE也分别达到稳定额定电流IL和饱和导通电压VON。

进入t4至t5阶段，密勒电容充满后，栅极驱动电源VG继续为栅极电容CGE充电，VGE再次上升，直至t5时刻达到外加的栅极电压VG。至此，IGBT的开启过程结束，器件进入稳定状态。

接下来是关断过程。在IGBT关断时，栅极电源信号被切断，栅极电容开始放电。此时，栅极-发射极电压VGE、集电极-发射极电压VCE和集电极-发射极电流ICE的波形如图7所示。图7展示了IGBT关断过程中电流和电压的变化情况。在t至t2的阶段，栅极电容CGE开始放电，导致栅极电压逐渐降低。由于感性负载的影响，集电极-发射极电流ICE保持额定电流IL不变，同时集电极-发射极电压VCE维持在饱和导通电压VON水平。

进入t2至t3的阶段，密勒电容CGC开始放电，此时栅极电压维持平台电压VGP稳定，ICE也保持母线电流不变。然而，由于杂散电感LS的感应电动势叠加，VCE在t3时刻达到电压尖峰VMAX，出现电压过冲现象。

随后的t3至t4阶段，密勒效应逐渐消失，栅极电压继续下降，VCE也从VMAX过渡回母线电压VCC。同时，ICE也迅速从稳定额定电流IL降至零。

在t4时刻之后，栅极电压降至阈值电压VTH以下，导电沟道反型层消失，使得ICE开始缓慢降低。关断后期，器件内过剩载流子通过复合形成拖尾电流，但复合过程较慢，导致拖尾电流消失需要较长时间。因此，ICE逐渐减小至零，最终实现IGBT的完全关断。

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