igbt(insulated gate bipolar transistor) 晶體應用簡介
１ igbt的構造
igbt的構造如圖1所示，它在mosfet的結構基礎上再加上一層p+基層而成。此p+基層具有高傳導的特性而與mosfet的n-層形成功率電晶體的輸出特性。如此一來，ibgt結合了mosfet快速開關的速度以及bjt低導通損耗的特點。
如果我們以工作頻率，電流容量和耐壓對igbt, mosfet及bjt作比較，那麼bjt的電流容量最大，工作頻率最低，mosfet的電流容量最小，工作頻率最高，耐壓最低。而igbt的電流容量接近bjt，耐壓也比mosfet高，工作頻率較mosfet低。因此，igbt以它的高耐壓，大電流和低飽和電壓作為中高功率的應用此也愈來愈普遍。
此文章著重在於如何設計igbt使其最佳化，尤其在設計閘極驅動的方式上會對igbt的特性佔著極關鍵的部份。
２ 閘極驅動的考量重點
igbt的開關特性會隨著閘極驅動的方式而改變。所以設計乙個好的驅動線路給igbt是非常重要的，而所謂igbt的最佳化設計是隨著應用的不同而有著不一樣的考量，舉個例子來說，hard switching的環境下，如馬達驅動或部份ups的應用下，igbt開關波形的輸出必須確保igbt循著其驅動軌跡而不超出soa(safe operating area)的範圍之外，這代表著有可能必須損失開關的效率或導通的效率而去達到不超出 soa的範圍。另乙個例子是在soft switching的應用上，在此soa就不是那麼地重要，此時我們可以針對vce(sat)及tf的特性上去達到最佳化的目的。
此部份，我們將探討igbt閘極驅動的特性來選擇vce(sat)及tf在不同應用下達到最佳化設計。
３ igbt的開關波形
如圖２的波形是igbt在電感性負載下所呈現的開關波形。此波形亦可當作inverter及chopper應用上的參考，因為它們的負載也是電感性。圖２的波形反應出了二極體的逆向恢復時間以及寄生電感所造成的影響，其中，不同的時間區隔可以幫助了解其變化，而可以更進一步去達到閘極設計的最佳化。
如圖３所示為圖２波形的測試線路。igbt的turn-on開關波形與的mosfet的特性相似，在turn-off開關波形上，除了igbt獨特的的current tail特性之外，其它也與mosfet的特性接近。以下就不同的時間區隔來分析其工作原理：
ａ、turn-on瞬間區域
t0區：此區域是指ig電流（閘極電流）往寄生電容cge，cgc充電而達到vge(th)為止。波形所示，vge是呈現線性往上爬公升，但實際上，vge是以指數的上公升斜率以rg(cge+cgc)的常數而達到vge(th)為止。
在此區域內vce及ic並沒有任何變化。所謂」turn-on延遲時間」的定義乃指閘極電壓從vgg+的10%開始直到ic電流達到io的10%瞬間為止。
t1區：當vgg+超越vge(th) ，導通的通道就會在p通道內形成，而形成導通電流。此時，igbt的導通狀態為動作(active)狀態，而ic電流增加的大小與vge成比例關係，然後達到io的需求電流。
在t1及t2時間區內，vce的波形會因vls=ls(dic/dt)的壓降影響而被切割，如圖2所示，此波形切割大小端視dic/dt及ls的大小而改變。
t2及t3區：
二極體順向電流(d1)在t1開始時因為igbt導通就逐漸減少，但並不會立刻減少至0a，必須直到二極體順向電流完全結束後開始以反方向的逆向電流繼續延續。此電流在t2及t3區會伴隨著ic電流以同樣的速度往上爬公升。此時，因為vce的電壓開始下降，使得橫跨於二極體兩端的逆向電壓逐漸增加，此現象使得dvce/dt的下降速度在t3時顯得特別的快。
二極體的逆向電流會在t3結束時歸於零而全面截止。
t4區：
此區域內，ig持續往cgc充電，而vge維持在vge,io的電壓。vce以(vgg-vge,io)/(rgcgc)的速度往下遞減，此時的ic一直維持著io滿載狀態。vce逐漸消失後會留下一條尾巴，此肇因於cgc的電容性，因vce的低電壓所產生的公尺勒效應所致。
t5區：
此區域內，vge以rg(cge+cgc,miller)的充電常數再上公升至vgg+。cgc,miller是當vce為低電壓時，cgc所增加的公尺勒效應電容。此時vce逐漸下降至導通的飽和狀態。
這裡可看出igbt的特性，從動作區(active)切換至飽和區(saturate)的速度會比mosfet慢了一些，在此時公尺勒電容效應發揮了延遲的作用。
ｂ、turn-off瞬間區域
t6區：此區為零件技術資料上td(off)所指的時間(turn-off delay time)。vge從vgg+以rg(cge+cgc,miller)的放電常數往下降。
此刻，vce及ic仍未產生任何變化。
t7區：vce在此區域開始上公升，上公升斜率可由rg控制，其斜率可由下式表示
t8區：如同turn-on瞬間一樣，在t7及t8也有vce過電壓的出現，此過電壓的產生是由漏電感vls=ls(dic/dt)所造成。此刻ic下降的部份是由igbt內的mosfet所造成的結果，亦為二個下降電流區的第一區。
t9區：由igbt內的bjt所導致的ic下降電流在此區產生，此下降電流一般通稱為」current tail」。其產生的原因是少數載子（電洞）經由n-擴散區的發射而形成。
此一區域的特性造成igbt的開關特性會比power mosfet遜色一些。
４ 閘極驅動設計
igbt可藉由適當的閘極電壓（通常為+15v左右）而導通，而ic電流也可借由降低vge的電壓至其臨界電壓(vge(th))以下而達到關斷電流的目的。在理想的狀態下，當igbt導通時，跨於集極與射極的電壓(vce)應該為0v，而其關關損耗也應該等於0。雖然理想的狀態在現實中不可能達成，在乙個好的設計下應該使得igbt更趨近於理想的狀態。
為了要達到此目的，最佳化的閘極驅動設計即是為此而生。vgg+, rg, 最大ig，驅動線路布局以及驅動能力都是為了要達到最佳化的閘極驅動的基礎關鍵。vgg+電壓的大小關係到導通功耗以及開關速度，rg的大小也影響到開關效率的問題。
此外，若閘極驅動電流ig的能力不足，縱使vgg+及rg已為最佳值也顯得毫無意義。而驅動線路的布局方式也關係到dv/dt的速率，進而影響了整體效率。這些基本的引數會以圖三的線路加以介紹並闡述其重要性如下。
ａ、vgg+
vgg+的電壓是指igbt導通時橫跨在閘極和射極的電壓。它關係到轉換傳導率的特性，soa的判定以及ic及vce的最大額定點。
ａ、min/max額定值：vgg+的最大值決定在gate oxide（閘極氧化層）的絕緣大小。假使跨在閘極和射極的電壓大於其額定最大值，gate oxide必會受到破壞而變成無法工作。
所以vgg+電壓的應用設計不可超過其規定的最大額定電壓。vgg+的最小值以達到飽和條件下的vgg+電壓的最小值為原則。
ｂ、導通狀態的影響 : 在固定ic電流的條件下，vce(sat)與vge+是呈現反比的關係。vgg+電壓愈低介於n+與n-擴散層的通道愈窄而使得通道阻抗增加。
由於igbt獨特的傳導調製效應(conductivity modulation effect)，n-擴散層的電壓降會比mosfet大了許多，這會使得電壓降介於集極與射極之間電壓降較低以達到降低傳導損耗的目的。參考圖四為fairchild semiconductor igbt的輸出特性曲線。
ｃ、turn-on瞬間的影響 : 當(vgg+-vge(th))增加時，開關時間減少並且開關損耗也會降低。ig較大將可幫助縮短充電cge的時間，而使得ic很快的上公升。
如下式所示，ig會隨著vgg+的增加而上公升，如此會有增加dic/dt的效果。
ig=(vgg+-vge)/rg
因為飛輪二極體(d1)逆向恢復時間的特性與dic/dt的速度有關, 因此改變dic/dt的大小會影響飛輪二極體數峰值逆向恢復電流, 也就是流過igbt電流的大小。當dic/dt變大時, igbt的電流額度以及飛輪二極體的電壓額度會顯得不夠，而且也會使得igbt的dvce/dt下降速率增加而造成igbt併聯二極體的逆向電壓增加。雖然，高的dic/dt與dvce/dt對於開關速度的提公升以及開關損耗時降低有幫助，但對於emi雜訊的影響就呈現負面的結果。
因此, 必須加以限制dic/dt的大小。藉著降低vgg+以及增加rg可降低dic/dt的速度，這對於減少ic峰極電流大小，而且增加飛輪二極體的逆向電壓的安全額度是有幫助的。
ｄ、短路耐久能力的影響 : igbt短路耐久能力與vgg+的電壓有關，愈低的vgg+電壓可得到愈長時間的短路耐久能力。然而，vgg+太小會影響到導通時的功耗。
一般fairchild semiconductor的igbt其短路耐久時間的能力大都在10us左右
ｅ、turn-off瞬間的影響 : 對於turn-on瞬間的影響，如前所述vgg+佔了很大的因素，而對於turn-off瞬間的特性，其大部分決定於vgg-（閘極負電壓）的大小。然而igbt所特有的」current tail」特性，因為是bjt特性所造成的自然現象，這並不會受到vgg-的影響而改變。
當vgg-變大時，turn-off的開關損耗會比較少。相對的，ic的di/dt會增加，這會使得漏電感ls上所感應的電壓(v=ls(di/dt))上公升，此電壓會加諸在igbt的vce上，此電壓峰值不可超過igbt的最大額度電壓值。所以必須控制降低vgg-電壓的大小以符合要求。
ｂ、rg
ａ、turn-on瞬間的影響
因為串聯電阻rg與igbt閘極直接連線，所以與開關波形的關係最密切。當rg減少時，dic/dt和dvce/dt增加，使得開關損耗變少。但rg也不應設計得太小，關鍵在於飛輪二極體(fwd)的逆向恢復時間之特性。
太小的rg會使得dic/dt太大而造成振盪，所以在考慮rg時，設計者必須兼顧turn-on的開關損耗以及如何降低fwd的過重負荷。
ｂ、turn-off瞬間的影響
rg變小的結果與增加vgg-的電壓是一樣的。當rg變大，turn-off的時間拉長，相對其開關損耗也會增加。然而，此影響並不會像turn-on那樣來得那麼大，因為ic電流在turn-off時會區分為mosfet區與bjt區兩段，只有在mosfet區的電流在turn-off瞬間會受到rg大小的影響。
以dv/dt的雜訊免疫力來說，因為turn-on瞬間dv/dt所造成的igbt機能失常可藉由增加rg而改善，相反地，在turn-off瞬間所造成的dv/dt的shoot-through也可借由rg的大小去改善。由此，最好的方式是用兩個不同的rg來控制turn-on及turn-off的設計以達到最佳的情況。
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