IGBT

IGBT（英文全称：Insulated   gate   bipolar   transistor, insulated gate bipolar transistor）是一种全控电压驱动型功率半导体器件，由双极结型晶体管组成（BJT）和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）它结合了两者的优点，即高输入阻抗、控制功率小、易于驱动、开关频率高、传导电流大传导损耗小等特点。IGBT可以理解为“非通即断” 开关可以将DC电压逆变为频率可调的交流电，主要用于变频逆变器等逆变电路中，被称为电力电子器件“CPU”，高效节能减排的主力军。

1979—1980 美国北卡罗来纳州大学 B.通过结合双极结型晶体管，JayantBaliga教授（BJT）技术和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS‐FET）IGBT开发的 技术。然而，由于结构和技术的限制，这项技术直到1986年才真正应用。目前（截至2023年9月）IGBT 经历了六代的变化，主要是在结构设计方面、工艺技术、技术性能等维度进行了持续优化。

IGBT主要由芯片组成、覆铜陶瓷衬底、基板、散热器通过焊接形成，并具有栅格g、集电极c和发射极e是三端器件。IGBT主要有单管模块、标准模块和智能功率模块。此外，IGBT是目前大功率开关器件中最成熟应用最广泛的功率器件，具有MOSFET 高输入阻抗和GTR低导通压降的优点 驱动功率低，饱和电压降低，是能量转换和传输的核心器件。目前，IGBT用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车和新能源设备广泛应用于电气领域。新能源汽车的未来、光伏/风电逆变器、以5G通信、以UHV和充电桩为代表的新基础设施将成为IGBT最大的驱动力，有望不断扩大IGBT的市场应用范围。

IGBT是由数百万个细胞组成的重复阵列，本质上是一个四层 N-P-N-带漂移区的P 晶闸管结构（发射区）缓冲区和注入区（集电区），以及栅极G、集电极c和发射极e是三端器件。

集电极：集电极的作用是提高器件的注入效率，从而降低器件的通态压降浓度越高，器件的通态压降越小，但关态功耗越大一般采用条形集电极结构集电极的注入效率由其结面积和掺杂浓度决定，结面积越大、掺杂浓度越高，有效注入效率越高。集电极产生的电流是集电极漏电流。目前，本领域提到的IGBT集电极的漏电流通常是指集电极在外部激励作用下栅压为0时产生的电流。它通常被视为IGBT设备在工厂或使用中检验合格的重要标准之一。

发射极：发射器实际上充当放大电路来放大信号。

栅极：电网是弱电和强电的电路接口，需要一定的高压隔离功能此外，电网还应具有欠压保护、为了满足高可靠性的要求，IGBT门驱动器通常需要三个独立的传输通道两个通道的传输方向是从高压侧到低压侧，分别用于传输高压侧去饱和监控信号和高压侧欠压闭锁监控信号，一个通道的传输方向是从低压侧到高压侧，用于传输数字控制信号。

缓冲区：缓冲区在p注入区和n之间-漂移区之间的n层。具有N个缓冲区的IGBT称为不对称IGBT（也被称为穿通IGBT）具有小的向前压降、犬断时间短、关断时的尾电流较小，但其反向阻断能力相对较弱。无N-缓冲区中的IGBT被称为对称IGBT（也称为非穿通IGBT）它具有很强的前向和后向阻断能力，其他特性比穿通IGBT差。

注入区（集电区）：如下图所示，当IGBT接入电路时，部分载流子从注入区P发射到基区N，从而调节漂移区的电导率因此，IGBT具有很强的电流流通能力。

IGBT本质上是一个由单个MOSFET驱动的PNP晶体管，和MOSFET一样，它也是一个压控器件，所以它的开关是通过栅极 实现的- 发射极电压。其中，当在门 中时-当在 的发射极之间施加正电压时，将在MOSFET 中形成一个沟道，并将提供 PNP 晶体管的基极电流，因此IGBT将导通。同时，在 中，从 P 到 N注入的空穴对N区进行电导调制，N区电阻RN降低，使IGBT 也具有低通态压降的功能。然后，当在栅-当发射极之间施加负电压时，MOSFET中的沟道将迅速消失，PNP 晶体管的基极电流将被 切断，IGBT将被关断。IGBT的工作状态主要包括传导、导通压降、关断、反向阻断、正向阻断、闩锁。

IGBT

关断与导通：IGBT管和MOSFET一样，也是一种压控器件，通过栅极来控制开关-发射极电压。当在栅-当发射极之间施加正电压时，MOSFET中会形成一个沟道，为PNP晶体管提供基极电流，从而发生导通现象同时，从P区注入V区的空穴会进行电导调制，该区的电阻R减小，使IGBT也具有低通态压降的功能。当在栅-当在发射极之间施加负电压时，MOSFET中的沟道将迅速消失，PNP晶体管的基极电流将被切断，然后发生关断现象。

传导电压降：所谓开态压降是指IGBT进入开态时的管压降UDS，该电压随着UCS的增加而降低。

阻断：如果集电极获得反向电压，P-区和N区的J结会受到反向偏置的影响，同时由于层厚减薄太多而失去阻挡能力，耗尽层转向N-区域扩张，此外，如果区域尺寸增加超过一定值，压降将继续增加，并形成反向阻塞。如果集电极得到正电压，栅极和发射极短路，P-区域 和N区域之间的J结由反向电压控制，并且在正向上被阻断。

闩锁：IGBT在集电极和发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管，这个寄生器件将在特殊条件下打开。这种现象会增加集电极和发射极之间的电流，降低等效MOSFET的控制能力，通常会引起器件击穿。晶闸管导通现象被称为IGBT闭锁。

静态特性

IGBT的静态特性主要包括伏安特性、传输特性和开关特性。

IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参数变量时漏极电流和栅极电压之间的关系曲线输出漏极电流比由栅源电压Ugs控制，Ugs越高， Id越大。这与GTR的产出特征相似。它也可以分为饱和区1、放大区域2和击穿特性3。在IGBT关断状态下，直流电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果没有N缓冲器，正向和反向阻断电压可以是一个级别，加上N缓冲器后，反向关断电压只能达到几十伏，从而限制了IGBT 的一些应用范围。

IGBT 的传输特性是指输出漏极电流Id和栅源电压Ugs之间的关系曲线。当栅极源极电压小于导通电压Ugs时，它具有与MOSFET相同的传输特性(th)在 ，IGBT处于关闭状态。在IGBT开启后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs成线性关系，最大栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般在 15V 左右。

IGBT 的开关特性指漏极电流和漏极源极电压之间的关系。当IGBT 处于导通状态时，其B 值极低，因为其PNP 晶体管是一个宽基极晶体管。虽然等效电路是达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。由于N  区域的电导调制效应，IGBT 的通态压降较小，耐压1000V的IGBT 的通态压降为2 ~ 3V 。当IGBT 关闭时，仅存在很小的漏电流。

动态特性

在开启期间，IGBT大部分时间作为 MOSFET 运行，但是在漏源电压下降的后期， 晶体管从放大区域变为饱和状态，这增加了延迟时间。td(on) 是开启延迟时间， tri 是电流上升时间。在实际应用中， ton 的漏极电流导通时间为 td (on) 的总和。漏源电压的下降时间由 tef13356和 tef23356组成。

IGBT 的触发和关断需要在其栅极和基极之间施加直流电压和负电压，栅极电压可以由不同的驱动电路产生。选择这些驱动电路时，必须基于以下参数：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、固体电阻要求和电源情况。因为IGBT门-发射极阻抗很大，因此可以通过MOSFET驱动技术触发然而，由于IGBT的输入电容大于MOSFET的输入电容，因此IGBT的关断偏置应该高于许多MOSFET驱动电路提供的关断偏置。

在IGBT关断期间，漏极电流的波形变成两段。由于PNP晶体管存储的电荷在MOSFET关断后难以快速消除，因此漏极电流具有较长的拖尾时间td(off) 是关断延迟时间，trv是电压Uds(f)的上升时间。在实际应用中，漏极电流的下降时间Tf往往由 t给出(f1)和t(f2)和漏极电流的关断时间t(off)=td(off)Trv  ten   tons(f)，式中，td(off) 和 trv 之和也称为存储时间。

透明集电区技术：集电区层（下层）结构新概念———透明集电极技术将IGBT集电极的空穴注入效率降低到零.低于5时，电子流在通过集电极结的总电流中起主要作用，一般达到70%以上。当IGBT关闭时-存储在该区域中的多余电子可以通过集电极区域快速流出，从而实现快速关断。所以不需要生命控制技术。这样不仅开关速度快，而且获得了UCE sat和Ron正温度系数的宝贵性能，并且关断损耗随温度变化很小。这种温度性能可以粗略地理解为透明收集器IGBT更接近于n-区域电导调制MOSFETㄢ

电场中止技术：n-耐压层（中层）结构新概念———电场中止（Field   stops, FS）技术，其核心在n-在耐压层和p型集电极区域之间增加了比率n-具有小区域宽度和较高掺杂浓度的n型缓冲层。根据泊松方程，电场强度在该层中迅速减小到零以停止电场并同时增加N-该区域的电阻率，以便用更薄的耐压层实现相同的击穿电压。其主要优点是耐压层的减薄可以降低导通电阻和关断损耗，后者是因为导通状态下存储的载流子总量减少。

沟槽栅技术：该技术在IGBT硅片的正面挖了许多浅而密的沟槽，在沟槽侧壁制作了栅氧化层和栅电极，使得MOS FET的沟道成为沿沟槽侧壁的垂直沟道其优点如下：Ron组件中的RJFET被取消，并且沟道是垂直的，每个单元占用的表面积很小，因此单位面积芯片中的沟道数量和总沟道宽度增加，并且Rch与沟道宽度成比例减小/长度比适当的槽宽和间距可以提高n-该区域近表层的载流子浓度。以上三个特性都可以使Ron明显小于平面栅结构。

然而，它也有其缺点：如果沟道宽度太大，栅极电容就会太大，从而影响开关速度设计不当将导致IGBT的短路电流过大，短路安全将成为问题挖出表面光滑的槽壁在技术上很困难，不光滑的表面会影响击穿电压并降低生产良率。

提高近表层载流子浓度的技术：在一般的IGBT中，N是从P型集电极区域注入的-在向上表面移动的过程中，耐压层中的空穴浓度逐渐降低，因此n-该区域越靠近表面，电导调制越弱，电阻越大。提高近表层载流子浓度的技术是通过各种方法提高N-电子空穴对在该区域中靠近表面的浓度使导通电阻最小化。

目前，采取的主要措施有：1、增加pnp管横向间距技术。在IGBT，MOS FET和pnp管是达林顿连接，pnp管的集电极结总是反向偏置，所以N-pnp管在基极区上边缘的集电极结附近的空穴浓度非常低。具体实现方法是：每隔几个单元布置一个pnp管，适用于平面栅和沟槽栅图4显示了IEGT使用的结构。沟槽栅IGBT也可以通过简单地加宽沟槽的宽度来实现。2、空穴阻挡层，即载流子存储层技术。一种技术是在IGBT的pnp晶体管的P型集电极区域周围使用略高于N的掺杂浓度-被n层包围的区域，借助n/n-高低结之间的接触电位差使N型相对于N型-a型具有更高的潜力，这使得n型相对于n-A型具有较高的电势，从而成为阻止空穴流向pnp管集电极区的屏障，这可以提高n-基极区上边界附近的空穴浓度改善了电导调制并降低了Ron中的RPINㄢ

闩锁效应

闭锁效应Latching effect，也称锁定效应，是IGBT超安全工作区引起的不可控电流现象。门闩是大门或门的固定装置。当闩锁发生时，IGBT与连续电流导通状态相关联。施加的栅极电压对输出集电极电流没有影响。在不同的栅压下，IGBT的输出集电极电流特性成为一条与栅压无关的曲线，观察到的现象是IGBT直流电压降低。因此，它可以被定义为IGBT的高电流状态，伴随着崩溃或低电压状态，并且只有通过反转集电极电压的极性或关闭电压才能停止闩锁。在DC或交流应用中，设备产生的热量可能会很大，导致其燃烧。

IGBT有两种锁存模式，即静态和动态。

当电流密度超过临界值时，就会发生静态闩锁效应，因此在这种模式下，集电极电压很低，集电极电流很大。对IGBT的无损检测表明，闭锁过程并不局限于IGBT的局部地区，而是蔓延到大多数其他活跃地区。

当集电极电流和集电极电压都很高时，开关期间会发生动态闩锁。然而，动态锁存所需的电流密度低于静态模式。在IGBT关断期间，快速消失的内部MOSFET动作将导致大量空穴沿基极电阻Rb的相反方向流动，从而形成压降。当电压降超过 0时.在7V时，大量电子从N发射极区注入P基极区。因此，在动态模式下，当集电极电流因空穴流过大而较低时，就会发生闩锁。

在需要强制关断栅极的电路中，通常使用IGBT来确保动态闩锁电流远大于最大工作电流。由于静态闩锁电流小于动态闩锁电流，施加这一设计约束将有助于避免静态闩锁。因此，它可以被视为最坏情况的设计标准，如果满足这个标准，将保证该设备在所有工作条件下都可以解锁工作。这里需要指出的是，如果可以减缓关断过程，大部分注入的空穴将在漂移区复合，因此闩锁的可能性相对较小。

短路失效

IGBT的短路分为一种短路和两种短路第一种短路也叫直接短路，第二种短路通常叫大电感短路。在一种短路的情况下，回路的电感通常很小，约为 100nH ，主要依靠Vce（sat）进行检测。第二类短路分为相间短路和相对地短路，回路电感比较大，一般在uH级别，可以通过电流传感器或 Vce检测到（sat）检测，根据当前的变化率。通常，这种短路中的电感是不确定的。

当发生某种短路时，IGBT 的电流将迅速上升，当电流上升到额定电流的4倍时，IGBT将进入去饱和状态。 IGBT去饱和时，是非常危险的状态IGBT去饱和时，IGBT承受的电压等于母线电压，流过IGBT的电流约为IGBT额定电流的4倍通过计算可以得出，此时的IGBT损耗会很大，很容易造成IGBT烧毁。根据IGBT的数据表，它最多可以承受大约10us此时，驾驶员必须关闭驱动波形，否则会损坏IGBT。

闩锁效应和短路故障的解决方案通常通过以下技术来避免IGBT产生闭锁效应：减小体积膨胀电阻 Rs ，避免闩锁效应、通过优化N缓冲层的厚度和掺杂来控制PNP晶体管的hFE，通过引入降低寿命的掺杂物质来控制PNP晶体管的hFE。避免IGBT短路的基本方法是在驱动电路上使用去饱和保护方法当IGBT去饱和时，驱动电路可以立即检测到去饱和并及时关闭IGBT的驱动波形，从而有效地保护了IGBT的可靠运行。

近年来，随着科学技术的发展，它适用于大电流、高电压条件下的IIGBT组件已经模块化生产。它的驱动电路也已经被由分立元件组成的集成IBGT专用驱动电路所取代。与其前身相比，这种模块化IGBT元件具有体积小的优点、可靠性高、更好的性能和许多其他优势。

应用领域及数据：基于自身的优势和特点，IGBT现阶段被广泛应用于工业控制中、变频家电、轨道交通、智能电网和新能源汽车等重点领域。

工业控制领域：工业控制领域对IGBT的市场需求最大，并呈逐步增长趋势。因为IGBT模块是变频器、逆变焊机等传统工控和电源行业的核心部件，随着工控和电源行业市场的逐步恢复，IGBT模块将发挥更加关键的作用。

IGBT

变频家电领域：在变频家电领域，IGBT的特点是频率高、低损耗特性已逐渐成为变频家用电器领域的关键器件，而在变频家用电器中的主要用途是set驱动电路、集保护电路功能于一体的IGBT模块。IGBT模块在变频器中不仅起到传统三极管的作用，还起到整流的作用。随着人们生活水平的逐步提高■节能意识，变频空调、变频洗衣机、变频冰箱和无焰烹饪电磁炉等变频电器在市场上越来越受欢迎，IGBT在这一领域发挥着越来越重要的作用。

轨道交通：轨道交通对IGBT也有巨大的需求目前，大功率IGBT模块是电力机车和高速动车组的核心部件。根据相关数据，电力机车一般需要500个IGBT模块，动车组需要100多个IGBT模块，地铁需要50 ~ 80个IGBT模块。

智能电网领域：在智能电网领域，IGBT每年的市场需求可达4亿元在新能源汽车中，IGBT模块约占整车成本的7%～10%，是除电池外成本第二高的部件，决定了整车的能效。

新能源发电：它在新能源发电领域发挥着至关重要的作用，是电动汽车和充电桩的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本的近10%，约占充电桩成本的20%此外风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要IGBT。

应用数据：根据HIS Markti的数据，2019年IGBT模组市场份额排名前五的公司是英飞凌、三菱、富士、半导体和维科电子，这五家公司占了68家.8%的市场份额。在国内新能源汽车IGBT模块市场，英飞凌2019年美国市场份额占58.2%处于绝对领先地位。从2012年到2019年，中国IGBT的年复合增长率为14.52%根据预测，中国 受益于新能源汽车和产业需求的大幅增长，美国IGBT市场将继续增长到2025年，中国IGBT市场将达到522亿人民币，2018年至2025年的复合增长率为195.96%。