IGBT的基本開關(guān)原理體現(xiàn)在單極型的MOS柵結(jié)構(gòu)和雙極型PNP晶體管的相互作用。參照圖1所示的基本結(jié)構(gòu)和等效電路。
圖1 IGBT等效電路
IGBT的導(dǎo)通
當(dāng)IGBT處于正向偏置并阻斷時，增加?xùn)艠O-發(fā)射極電壓大于MOS結(jié)構(gòu)的開啟電壓時，MOS結(jié)構(gòu)中至柵極下面的P區(qū)表面強(qiáng)反型層形成導(dǎo)電溝道時，IGBT即進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。此時電子可由發(fā)射極連接的N+區(qū)經(jīng)溝道進(jìn)入N區(qū)，相當(dāng)于為PNP晶體管基極提供了電子流。同時，由于J1結(jié)處于正偏狀態(tài)，P+區(qū)將向N區(qū)注入空穴，一部分與電子復(fù)合，一部分經(jīng)過J2結(jié)電場作用進(jìn)入IGBT的發(fā)射極（準(zhǔn)確地說是PNP晶體管的集電極）。此時整個IGBT中有電流流通，IGBT導(dǎo)通。在N區(qū)內(nèi)，電子和空穴積累，形成電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。
IGBT的通態(tài)
IGBT通態(tài)時流經(jīng)的電流能力同時受到柵極電壓和集電極-發(fā)射極正偏壓影響，而物理機(jī)制則是受到單極型和雙極型導(dǎo)電特性的影響。當(dāng)IGBT的集電極-發(fā)射極正偏壓升高時，集電極的正偏置的PN結(jié)注入空穴的密度也相應(yīng)升高，直到超過N區(qū)中平衡時的多子濃度為止。按照這種工作方式，只要柵壓足夠高，能使向N區(qū)提供電子的導(dǎo)電溝道開得足夠?qū)挘瑒tIGBT的通態(tài)電壓-電流特性就與PIN二極管的通態(tài)特性沒有多少差別。即便是額定阻斷電壓值很高的器件，其電流容量也能達(dá)到很高的水平，雙極型器件的特性表現(xiàn)得就多。但是在柵壓較低的情況下，由于反型層導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力不夠，電阻較大，外加電壓將主要降落在這個區(qū)域中，則IGBT的電壓-電流將如一般MOSFET那樣顯現(xiàn)飽和特征。表現(xiàn)為單極型導(dǎo)電行為也就多一些。這兩種作用相互作用，就形成圖2所示的輸出特性。
圖2 IGBT的輸出特性
圖2給出了單極型MOS結(jié)構(gòu)特性占主導(dǎo)的飽和區(qū)，以及晶體管特性占主導(dǎo)的有源區(qū)。IGBT中的電流進(jìn)入飽和的特性不是純粹的MOSFET中那樣的電子流飽和特性（否則就只是MOSFET了），當(dāng)電流增加和集電極-發(fā)射極間電壓增加到一定程度時，晶體管部分承擔(dān)了IGBT電流中的主要部分，使MOSFET部分電流不再繼續(xù)進(jìn)入飽和狀態(tài)，所以IGBT中的電流飽和也稱為次飽和。
IGBT的關(guān)斷
對于已經(jīng)處于正向偏置并導(dǎo)通狀態(tài)的IGBT，如果想令其轉(zhuǎn)入關(guān)斷狀態(tài)，只需讓柵壓UGS<UT就行了，一種簡單的方式是通過柵極與發(fā)射極短路來實現(xiàn)的。當(dāng)UGS降至零時，MOS柵結(jié)構(gòu)中的P區(qū)表面不再能維持反型狀態(tài)，導(dǎo)電溝道消失，切斷了發(fā)射極對N基區(qū)的電子供給，關(guān)斷過程開始。由于IGBT導(dǎo)通時有P+區(qū)向N區(qū)注入少子空穴，這些少子在向J2結(jié)方同擴(kuò)散的同時，在N區(qū)存儲起一定容量的載流子，像任何一種雙極型器件的正向?qū)ㄟ^程那樣，因而其關(guān)斷過程也不能立即結(jié)束。這些少子需要一定的時間來通過復(fù)合和掃出而消失，也即集電極電流需要一定的時間逐漸衰減。
IGBT的寄生晶閘管的擎住效應(yīng)
上述分析IGBT通態(tài)和關(guān)斷都是在寄生晶閘管不發(fā)生作用的情況下的結(jié)果。在實際應(yīng)用中，IGBT的寄生晶閘管發(fā)生擎住作用，可分為兩種：
靜態(tài)擎住效應(yīng)
動態(tài)擎住效應(yīng)
IGBT的正向阻斷
當(dāng)IGBT處于正向偏置時，即IGBT集電極接正電位，發(fā)射極接負(fù)電位。而柵極-發(fā)射極電壓小于MOS結(jié)構(gòu)的開啟電壓時，集電極的PN結(jié)正偏置，對阻斷沒有貢獻(xiàn)，所以IGBT的正向阻斷原理與VDMOSFET相似。由于MOS柵結(jié)構(gòu)中沒有溝道形成，無法為PNP晶體管的基極提供電流。整個IGBT可以看成是沒有基極電流的PNP晶體管，處于阻斷狀態(tài)。如果考慮寄生晶閘管的作用，也可以看成是沒有門極觸發(fā)的晶閘管，此時需要避免其他條件來觸發(fā)晶閘管。IGBT的正向阻斷電壓能力，主要是由J2結(jié)的雪崩擊穿電壓來決定的，IGBT正向偏置的情況如圖3所示。這時只有非常小的漏電流，當(dāng)正向電壓超過閾值電壓就會發(fā)生擊穿。
IGBT的反向阻斷
當(dāng)IGBT反向偏置時，集電極的PN結(jié)反向偏置，J1結(jié)的存在使得IGBT有了承受反向電壓的能力，這是與MOSFET不同的特性，MOSEET在反向偏置時，將會表現(xiàn)出正向偏置的二極管特性，不具有反向阻斷的能力。但是，在IGBT中，設(shè)計者通常犧牲很大的反向阻斷能力來換取低電導(dǎo)率和低關(guān)斷損耗。因此，J1結(jié)的反向擊穿電壓較低，IGBT的反向阻斷能力不高。IGBT反向偏置時的情況如圖4所示。
在很多電壓型電力電子變換器中，都在IGBT中加入獨立的反并聯(lián)二極管，以適應(yīng)變換器換流的需要，形成的逆導(dǎo)型器件的圖形符號如圖5a所示；而在一些電流型電力電子變換器或者矩陣變換器中，需要IGBT具有好的反向阻斷能力，則在IGBT中串聯(lián)獨立的二極管，形成圖5b所示的逆阻型器件圖形符號。
圖5 逆導(dǎo)型和逆阻型IGBT圖形符號
文章來源：三菱電機(jī)半導(dǎo)體
