从功能上讲,IGBT是一种电路开关,具有电压可控、饱和压降小、耐压高的优点。用于电压几十到几百伏,电流几十到几百安培的高压中。此外,IGBT不需要机械按钮,它是由电脑控制的。因此,借助IGBT的开关,我们可以设计一种电路,将电源侧的交流电变成给定电压的直流电,或将各种电变成所需频率的交流电,供负载使用。这些电路统称为转换器。
IGBT模块具有节能、安装维护方便、散热稳定等特点。目前市场上销售的大部分产品都是这类模块化产品,IGBT一般指IGBT模块;随着节能环保的推广,这类产品在市场上会越来越普遍;IGBT是能量转换和传输的核心器件,俗称电力电子器件的“CPU”。IGBT作为国家战略性新兴产业,广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车和新能源设备等领域。
方法
IGBT是垂直功率MOSFET的自然演变,适用于大电流、高电压应用和快速终端设备。因为需要源极-漏极沟道来实现更高的击穿电压BVDSS,但是该沟道具有高电阻率,这导致功率MOSFET具有高RDS(on)值。IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然第一代功率MOSFET器件的RDS(on)特性已经有了很大的改善,但是功率传导损耗仍然远远高于IGBT技术在高水平下的功率传导损耗。与标准双极性器件相比,更低的压降、转换为低VCE(sat)的能力以及IGBT的结构可以支持更高的电流密度,并简化IGBT驱动器的原理图。
导通
IGBT硅片的结构与功率MOSFET非常相似,主要区别是IGBT增加了一个P+衬底和一个N+缓冲层(这部分不是NPT-非穿通IGBT技术增加的)。其中一个MOSFET驱动两个双极器件。衬底的应用在管的P+和N+区域之间产生了J1结。当栅极正偏压使栅极下方的P基区反相时,形成N沟道,同时出现电子流,完全以功率MOSFET的方式产生电流。如果这种电子流产生的电压在0.7V的范围内,那么J1将处于正向偏置,一些空穴将被注入N区,阳极和阴极之间的电阻率将被调节,这降低了功率传导的总损耗,并开始第二次电荷流。因此,在半导体层面暂时出现了两种不同的电流拓扑:电子电流 (MOSFET电流);空穴电流(双极)。当负偏置电压施加到栅极或栅极电压低于阈值时关断,沟道被禁止,并且没有空穴注入n区。在任何情况下,如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降,集电极电流将逐渐降低,因为在换向开始后,N层中仍有少数载流子(少数载流子)。剩余电流(尾流)的减少完全取决于关断时的电荷密度,并且该密度与几个因素有关,例如掺杂剂的量和拓扑、层厚度和温度。少数载流子的衰减使得集电极电流具有特征性的尾波波形,造成以下问题:功耗增加;交叉传导的问题更加明显, 尤其是在使用续流二极管的设备中。由于尾流与少数载流子复合有关,所以尾流的电流值应该与芯片的温度密切相关,而空穴迁移率与IC和VCE密切相关。因此,根据达到的温度,减少电流作用在终端设备设计上的这种不良影响是可行的。