介于P+注入区与N*漂移区之间的N’层称为缓冲区。有无缓冲区可以获得不同特性的IGBT有N+缓冲区的IGBT称为非对称型(也称穿通型) IGBT ,它具有正向压降小关断时间短、关断时尾部电流小等优点,但反向阻断能力相对较弱。
无N*缓冲区的IGBT称为对称型(也称非穿通型) IGBT ,具有较强的正反向阻断能力,但其他特性却不及非对称型IGBT。在图3-10(a)中 , C为集电极,E为发射极,G为栅极(也称门极)。该器件的电气图形符号如图3-10 ( C )所示,图中所示箭头表示IGBT中电流流动的方向( P沟道IGBT的箭头与其相反)。
②工作原理简单来说 , IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管,它的简化等效电路如图3-10 ( b )所示,图中RN为PNP晶体管基区内的调制电阻。从该等效电路可以清楚地看出，IGBT是用晶体管和功率MOSFET组成的复合器件。因为图中的晶体管为PNP型晶体管，MOSFET为N沟道场效应晶体管,所以这种结构的IGBT称为N沟道IGBT。类似地还有P沟道IGBTIGBT是一种场控器件,它的开通和关断由栅极和发射极间电压Ug;决定。当栅射极电压UgE为正且大于开启电压UGE (th)时, MOSFET内形成沟道并为PNP晶体管提供基极电流,进而使IGBT导通。此时,从P*区注入N的空穴(少数载流子)对N~区进行电导调制,减小N~区的电阻RN ,使高耐压的IGBT也具有很低的通态压降。当栅射极间不加信号或加反向电压时, MOSFET内的沟道消失,则PNP晶体管的基极电流被切断, IGBT即关断。由此可见, IGBT的驱动原理与MOSFET基本相同。
(2)基本特性
①静态特性IGBT的静态特性包括转移特性和输出特性。
a.转移特性。IGBT的转移特性用来描述IGBT集电极电流Ic与栅射电压UGE间的相互关系,如图3-11 ( a )所示。此特性与功率MOSFET的转移特性相似。由图3-11 (a)可知, Ic与Uq;基本呈线性关系，只有当UGE在UGE(th)附近时才呈非线性关系。当栅射电压Ug;小于UqGE ( th)时, IGBT处于关断状态;当Ug大于UcGE(th)时，IGBT开始导通。由此可知, UGE( th)是IGBT能实现电导调制而导通的栅射电压。UGE ( th)随温度升高略有下降,温度每升高1°C ,其值下降5mV左右。在25°C时, IGBT的开启电压UGGE(th)一般为2 ~ 6V。
b输出特性。IGBT的输出特性也称伏安特性,它描述的是以栅射电压UGE为控制变量时集电极电流Ic与集射极间电压UcE之间的关系。IGBT的输出特性如图3-11 ( b )所示。此特性与GTR的输出特性相似,不同的是控制变量, IGBT为栅射电压UGE ,而晶体管为基极电流Ig。IGBT的输出特性分正向阻断区、有源区和饱和区。当UGE <0时, IGBT为反向阻断工作状态。参照图3-11(a)可知，此时P+N结(Jj结)处于反偏状态,因而不管MOSFET的沟道体区中有没有形成沟道, 均不会有集电极电流出现。由此可见, IGBT由于比MOFET多了一一个J结而获得反向电压阻断能力1IGBT能够承受的反向阻断电压URn取决于J1结的雪崩击穿电压。当UcE> 而UGE< UGE(th )时, IGBT为正向阻断工作状态。此时J结处于反偏状态,且MOSFET的沟道体区内没有形成沟道, IGBT的集电极漏电流IcEs很小。IGBT能够承受的正向阻断电压UFμ取决于J2的雪崩击穿电压。如果UcE> 0而且UGE< UGE (th)时, MOSFET的沟通体区内形成导电沟道，IGBT进入正向导通状态。
此时,由于J1结处于正偏状态, P+区将向N基区注入空穴。当正偏压升高时,注入空穴的密度也相应增大,直到超过N基区的多数载流子密度为止。在这种状态工作时,随着栅射电压UgE的升高,向N基区提供电子的导电沟道加宽,集电极电流Ic将增大,在正向导通的大部分区域内, Ic与UcE呈线性关系,而与UcE无关,这部分区域称为有源区或线性区。IGBT的这种工作状态称为有源工作状态或线性工作状态。对于工作在开关状态的IGBT ,应尽量避免_工作在有源区(线性区) ,否则IGBT的功耗将会很大。饱和区是指输出特性比较明显弯曲的部分,此时集电极电流Ic与极射电压Uge不再呈线性关系。在电力电子电路中, IGBT工作在开关状态,因而IGBT是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。
②动态特性
图3-12给出了IGBT开关过程的波形图。IGBT的开通过程与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MOSFET运行的。开通时间ton定义为从驱动电压UcE的脉冲前沿上升到10% UGEM (幅值)处起,至集电极电流Ic上升到90%Icm处止所需要的时间。开通时间o又可分为开通延迟时间t(on )和电流上升时间t,两部分，td(on )定义为从10% UGE到出现10% Icr所需要的时间，t,定义为集电极电流Ic从10%Icm上升至90%IcM所需要的时间。集射电压UcE的下降过程分成tv1和trn2两段, trn段曲线为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程，t+v2段曲线为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。trz段电压 下降变缓的原因有两个:其一是UcE电压下降时, IGBT中MOSFET的栅漏电容增加,致使电压下降变缓,这与MOSFET相似;其二是IGBT的PNP晶体管由放大状态转换到饱和状态要有一个过程，下降时间变长,这也会造成电压下降变缓。由此可知IGBT只有在t2结束时才完全进入饱和状态。
