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考慮篇幅限制，本次內容分為3部分。

       （1） 絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)原理介紹及部分術語定義；

       （2）IGBT雙脈沖實驗；

       （3）IGBT及隔離驅動數據書冊解讀。

IGBT稱為絕緣柵雙極性晶體管，它結合了MOSFET的驅動優勢和雙極性晶體管的優勢。IGBT的內部結構和等效電路如圖1所示。從結構上看，IGBT更像垂直型MOSFET，不同之處在于它在漏極增加了高摻雜P+層，稱為集電極。當柵極電壓小于開啟電壓時，IGBT關斷。此時，發射極電壓遠小于集電極電壓，狀態為正向阻斷，PN結J2阻斷。而PN結J1和J3正偏，為了獲得足夠的阻斷能力，N-區需足夠寬，摻雜濃度盡量低。

當IGBT柵極接到正電壓（通常為15V)，IGBT導通。首先，在氧化層下面的P區建立反型導電溝道，為電子從發射極到N-區提供導電路徑，從而降低N-區的電位，PN結J1導通。P+區的少子（空穴）開始注入N-區，使得該區的少數載流子濃度遠遠超過多數載流子。為了保持電荷中性，大量的自由電子從N+區吸引到N-區。由于載流子的注入，相對高阻的N-區的導電率迅速上升。這個過程稱為電導調制效應。它會有效減小IGBT的正向導通壓降。IGBT的飽和壓降UCEsat低于MOSFET的擴散電壓，特別是在高壓大電流的應用場合，所以IGBT的損耗要比MOSFET的低。IGBT的簡化模型可以用MOSFET和PIN二極管的串聯電路等效。

IGBT輸出特性如圖2a所示。若柵極電壓太小，形成的反型層較弱，流入漂移區電子數相對較少，IGBT的壓降增大，進入特性曲線的線性放大區。當IGBT工作在線性放大區時，損耗加劇，嚴重會損壞器件。故器件應避免進入線性放大區。

IGBT導通時，PN結J2由于承受負電壓而保持阻斷。在相鄰兩層之間形成空間電荷區，而且它會夾斷從P區到N-區寬度為dJEFT范圍內的區域，如圖2b所示。而該區域在某種程度上決定了IGBT通態損耗。這種夾斷原理類似于JFET，因而下文中內部電阻用RJEFT表示。平面柵極結構IGBT都可以這樣表示。

若柵源電壓為零或者反向，柵極的溝道重組阻止自由電子繼續注入漂移區。此時，漂移區載流子的濃度非常高，所以大量的電子向集電極P+區移動，而空穴向P基區移動。由于電子的濃度逐步拉平，載流子的移動逐步停止，剩余的載流子依靠復合來移除。因而IGBT的關斷電流分為兩個階段：一是關斷反型溝道，導致電流迅速下降；二是持續的時間較長，導致IGBT產生拖尾電流Icz，如圖3所示。第一階段稱為MOSFET關斷，第二階段稱為晶體管關斷。由于拖尾電流的存在使得IGBT的關斷損耗高于MOSFET關斷損耗。

關于IGBT的術語

電壓定義：

（1）集電極-發射極阻斷電壓UCES：柵極和發射極斷路時，集電極和發射極之間的電壓。

（2）集電極-發射極擊穿電壓U(BR)CES：柵極和發射極短路時，集電極和發射極之間的電壓。

（3）集電極-發射極飽和電壓UCEsat：在柵極和發射極之間加入一定的電壓，且集電極電流幾乎不受柵極-發射極電壓控制時的電壓。

（4）柵極-發射極之間的閾值電壓UGE(th)：集電極電流有一個較小的特定值時，柵極和發射極之間的電壓。此時IGBT內部MOSFET溝通開啟，允許一個很小的電流流過。

（5）二極管正向導通電壓UF：當二極管流過一個特定的正向電流IF時，陽極和陰極之間的電壓。

電流定義：

（6）集電極電流Ic：通常稱作集電極電流。在數據手冊中也用來表示最大連續集電極直流電流。

（7）重復峰值集電極電流ICRM：在時間t中（一般是1ms）最大的重復電流。很多廠商指定ICRM的值是集電極電流的兩倍。

（8）集電極-發射極漏（截止）電流ICES：在指定的集電極-射極電壓下，通常取額定阻斷電壓UCES，流入集電極的漏電流。

（9）拖尾電流Icz：IGBT關斷過程中，拖尾時間內的集電極電流。

（10）二極管電流IF：正向導通時通過二極管的電流。數據手冊中通常指二極管最大連續正向直流電流。

（11）二極管重復峰值電流IFRM：在時間t中（一般是1ms）正向通過二極管的最大重復電流，很多廠商指定IFRM是二極管電流的兩倍。

（12）二極管反向恢復電流IRM：在給定的測試條件下反向恢復電流最大值。

時間定義：

（13）開通延時td(on)：IGBT的柵極開啟電壓脈沖到集電極電流開始上升的時間間隔。通常以柵極電壓幅值的10%和集電極電流10%作為開通延時計算參考點。

（14）上升時間tr：通常指IGBT開通后，集電極電流從最大值的10%上升到90%的時間間隔。

（15）開通時間ton：開通延時與上升時間之和，如圖4a所示。

（16）關斷延時td(off)：維持IGBT導通的柵極電壓脈沖的末端時刻到集電極電流開始下降的間隔。在這段時間內，IGBT進入關斷狀態。一般情況下，以柵極電壓幅值的90%和集電極電流90%作為關斷延時計算的參考點。

（17）下降時間tf：一般指集電極電流從最大值的90%下降到10%的時間。如果集電極電流90%的值到10%的值不是一條直線，則做一條下降電流曲線的切線，在切線上讀取集電極電流的10%。

（18）關斷時間toff：關斷延時和下降時間之和，如圖4b所示。

（19）拖尾時間tZ：關斷時間toff的末端到集電極電流下降到其最大值2%時的時間間隔。

參考文獻

[1] IGBT模塊：技術驅動和應用，英飛凌，2016