力晶体管(GTR)属于双极型电流驱动器件，其优点是通流能力很强，但不足之处是开关速度相对低，驱动功率大，驱动电路复杂;而功率MOSFET是单极型电压驱动器件其优点是开关速度快，输人阻抗高，所需驱动功率小，而且驱动电路简单，缺点是导通压降大。

将这两类器件的优点，即GTR的低导通压降与功率MOSFET的高输入阻抗结合起来制成的复合型器件，称为Bi-MOS器件，即绝缘栅双极型晶体管(Insulate-GateBipolarTran-sistor，IGBT)。

它综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有低导通压降和高输人阻抗的综合优点。IGBT自投入市场以来，已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。当前IGBT工作电压和工作电流的应用水平已分别达到~V和600A1。IGBT的结构和工作原理IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。

图3-12a所示为一种由N沟道功率MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构，与功率MOSFET对照可以看出，IGBT比功率MOSFET多一层P*注入区，因而形成了一个大面积的P*、N*结J。

这样使得IGBT导通时由P*注人区向基区发射少量载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力，其简化等效电路如图3-12b所示，可以看出这是双极型晶体管与功率MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由功率MOSFET驱动的厚基区外PNP型晶体管。

图中R为晶体管基区内的调制电阻，因此，IGBT的驱动原理与功率MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅极和发射极间的电压U决定的，当Uce为正且大于开启电压Uce()时，功率MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。当栅极与发射极之间施加反向电压或不加电压时，功率MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。

上面介绍的PNP型晶体管与N沟道功率MOSFET组合而成的ICBT称为N沟道IGBT记为N-IGBT，其电气图形符号如图3-12c所示，N-IGBT和P-ICBT统称为IGBT。由于实际应用中以N沟道IGBT为多。因此下面仍以N沟道IGBT为例进行介绍。

2.IGBT基本特性

(1)静态特性图3-13a所示为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流与栅射电压Uce之间的关系，与功率MOSFET的转移特性类似。开启电压Uce()是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。Ucr()随温度升高而略有下降，温度每升高1C，其值下降5mV左右。在25C时，UcE()的值一般为2~6V。

如图3-13b所示为IGBT的输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流1.与集射极间电压Ue之间的关系。此特性与GTR的输出特性相似，不同的是参考变量，IGBT为栅射电压Ue，而GTR为基极电流。IGBT的输出特性也分为3个区域:正向阻断区、有源区和饱和区。

这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应此外，当uce0时，IGBT为反向阻断工作状态。在电力电子电路中，IGBT工作在开通和关断状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。

(2)动态特性图3-14所示为IGBT开关过程的波形。IGBT的开通过程与功率MOSFET的开通过程很相似，这是因为IGBT在开通过程中大部分时间是作为功率MOSFET来T作的。如图3-14所示，从驱动电压Ue的前UGeMUGE90%UGEM沿上升至其幅值的10%的时刻起，到集电极电流1.上升至其幅值的10%的时刻止的这10%UGEM段时间为开通延迟时间ta(n)。

而Ic从10%ICMIm上升至90%1cm所需时间为电流上升时间%ICMt。同样，开通时间为开通延迟时间与电流上升时间t之和。开通时，集射电压Uce的下降过程分为tm和两段。前者为IGBT中10%ICM功率MOSFET单独工作的电压下降过程;后UcEUcEM者为功率MOSFET和PNP型晶体管同时工作的电压下降过程。由于Uc下降时IGBT中功率MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中UCE(on)的PNP型晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此tm段电压下降过程变缓。只有在tm段结束时，IGBT才完全进入饱和状态。

图3-14IGBT开关过程的波形IGBT关断时，从驱动电压Ucx的脉冲后沿下降到其幅值的90%的时刻起，到集电极电流下降至90%Icm止的这段时间为关断延迟时间la(。集电极电流从90%IM下降至10%ICN的这段时间为电流下降时间t。二者之和为关断时间。电流下降时间可以分为tm和t两段。

其中tm对应IGBT内部的功率MOSFET的关断过程，这段时间极电极电流1下降较快tm对应IGBT内部的PNP型晶体管的关断过程，这段时间内功率MOSE已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少数载流子复合缓慢，造成1。下降较慢。由于此时集射电压已经建立，因此较长的电流下降时间会产生较大的关断损耗。为解决此问题，可以与GTR样通过减轻饱和程度来缩短电流下降时间，不过同样也需要与通态压降折中。可以看出，IGBT虽然有电导调制效应的优点，但也引入了少数载流子储存现象，因而ICBT的开关速度要低于功率MOSFET。

此外，IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折中的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度并且具有较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。3.IGBT的主要参数及特点

(1)除了前面提到的各参数之外，IGBT的主要参数还包括

1)最大集射极间电压Uas。这是由器件内部的PNP型晶体管所能承受的击穿电压所确

定的。

2)最大集电极电流。包括额定直流电流1和1ms脉宽最大电流/P3)最大集电极功率Ic。在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

(2)IGBT的特性和参数特点如下

1)IGBT开关速度高，开关损耗小。在电压V以上时，IGBT的开关损耗只有CTR的1/10，与功率MOSFET相当。

2)在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

3)IGBT的通态压降比功率MOSFET低，特别是在电流较大的区域。

4)IGBT的输人阻抗高，其输人特性与功率MOSFET类似

5)与功率MOSFET的GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。

4.IGBT的擎住效应和安全工作区如图3-12所示的IGBT结构，在IGBT内部寄生着一个N-PN型晶体管和作为主开关器件的P+NP-型晶体管组成的寄生晶闸管，其中NTPN型晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J结施加一个正向偏压，在额定集电极电流范围内，这个偏压很小，不足以使J开通，然而一旦J开通栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功耗过高而损坏这种电流失控的现象(类似普通晶闸管被触发以后，即使撤销触发信号晶闸管，仍然因进人正反馈过程而维持导通的机理》称为警住效应或自锁效应。

引发警住效应的原因，可能是集电极电流过大(静态擎住效应)，也可能是duce/dt过大(动态擎住效应)，温度升高也会增加发生擎住效应的危险。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。

根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗可以确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作区(ForwardBiasedSafeOperatingArea，FBSOA);根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duce/dt可以确定IGBT在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作区(ReverseBiasedSafeOperatingArea，RBSOA)。

擎住效应曾经是限制IGBT电流容量进一步提高的主要因素之一，但经过多年的努力自20世纪90年代中后期开始，这个问题已得到了极大的改善，使IGBT研究和制造水平的迅速提高。

此外，为满足实际电路中的要求，IGBT往往与反并联的快速恢复二极管封装在一起制成模块，成为逆导器件，选用时应加以注意。