2.4　典型全控型器件

2.4.1　门极可关断晶闸管

门极可关断晶闸管（gate-turn-off thyristor，GTO）严格地来讲也是晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。

1.GTO的结构和工作原理

GTO和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极、阴极和门极。但和普通晶闸管不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件。虽然外部同样引出三个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起。这种特殊结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。图2-13（a）、（b）分别给出了典型的GTO各单元阴极、门极间隔排列的图形和其并联单元结构的断面示意图，图2-13（c）是GTO的图形符号。

与普通晶闸管一样，GTO的工作原理仍然可以用双晶体管模型来分析。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1和α2。由普通晶闸管的分析可以看出，α1+α2=1是器件临界导通的条件。当α1+α2＞1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当α1+α2＜1时，不能维持饱和导通而关断。GTO与普通晶闸管不同的是：

（1）在设计器件时使得α2较大，这样晶体管V2控制灵敏，使得GTO易于关断。

（2）使得导通时的α1+α2更接近于1。普通晶闸管设计为α1+α2≥1.15，而GTO设计为α1+α2≈1.05，这样使GTO导通时饱和程度不深，更接近于临界饱和，从而为门极控制关断提供了有利条件。当然，负面的影响是，导通时的管压降增大了。

（3）多元集成结构使每个GTO阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2基区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。

所以，GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，有同样的正反馈过程，只不过导通时饱和程度较浅。而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，则晶闸管V2的基极电流Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流，如此也形成强烈的正反馈。当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使α1+α2＜1时，器件退出饱和而关断。

GTO的多元集成结构除了对关断有利外，也使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力更强。

2.GTO的动态特性

图2-14给出了GTO开通和关断过程中门极电流iG和阳极电流iA的波形。与普通晶闸管类似，开通过程中需要经过延迟时间td和上升时间tr。关断过程有所不同，需要经历抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间，即储存时间ts，从而使等效晶体管退出饱和状态；然后则是等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间，即下降时间tf；最后还有残存载流子复合所需时间，即尾部时间tt。

通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，可以缩短尾部时间。

3.GTO的主要参数

GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。这里只简单介绍一些意义不同的参数。

1）最大可关断阳极电流IATO

这也是用来标称GTO额定电流的参数。这一点与普通晶闸管用平均电流作为额定电流是不同的。

2）电流关断增益βoff

最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益，即

βoff一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。一个1000A的GTO，关断时门极负脉冲电流的峰值达200A，这是一个相当大的数值。

3）开通时间ton

开通时间指延迟时间与上升时间之和。GTO的延迟时间一般为1～2μs，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。

4）关断时间toff

关断时间一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2μs。

另外，需要指出的是，不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。

4.GTO的优缺点

GTO是一种较理想的直流开关元件，作为开关时，与SCR相比，最突出的优点如下：

（1）能自关断，不需要复杂的换流回路。

（2）工作频率高。

缺点如下：

（1）同样工作条件下擎住电流大。擎住电流是指刚从断态转入通态并切除门极电流之后，能维持通态所需的最小阳极电流。

（2）关断脉冲对功率和负门极电流的上升率要求高。

GTO与GTR相比，其优点如下：

（1）能实现高压、大电流。

（2）能耐受浪涌电流。

（3）开关时只需瞬态脉冲功率。

缺点是门控回路比较复杂。

2.4.2　电力晶体管

电力晶体管（giant transistor，GTR）是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管（bipolar junction transistor，BJT）。与PN结二极管一样，电子和空穴在双极晶体管中同时参与导电，故称为双极晶体管。其特性有：耐压高、电流大、开关特性好，但驱动电路复杂、驱动功率大。电力晶体管是一种电流控制的全控型器件，是典型的电力电子器件之一。

1.GTR的基本结构与工作原理

GTR是由三层半导体、两个PN结构成的。三层半导体结构形式可以是PNP，也可以是NPN。

图2-15所示为GTR基本结构及图形符号，图中字母上标“+”表示高掺杂浓度。根据对工作特性的要求及制造工艺的特点，实际器件的结构可能有较大变化，为了满足大功率的要求，GTR常常采用集成电路工艺将许多单元并联而成。

双极结型晶体管是一种电流控制型器件，由其主电极（发射极E和集电极C）传导的工作电流受控制极（基极B）较小电流的控制。在应用中，GTR一般采用共发射极接法，这种接法具有较高的电流和功率增益。集电极电流iC与基极电流iB之比为β=iC/iB。

β称为GTR的电流放大系数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力，单管GTR的β值一般小于10。

为了有效地增大电流增益，常常采用两个或多个晶体管组成达林顿接法。达林顿GTR的特点是电流增益高、输出不饱和及关断时间长。

2.GTR的工作特性

1）静态特性

GTR的静态特性可分为输入特性和输出特性，如图2-16所示。

（1）输入特性。它表示UCE一定时，基极电流IB与基极-发射极间电压UBE之间的函数关系，它与二极管PN结的正向伏安特性相似，如图2-16（a）所示。当UCE增大时，输入特性右移。一般情况下，GTR的正向偏压UBE大约为1V。

（2）输出特性。大功率晶体管运行时常采用共射极接法。共射极电路的输出特性是指集电极电流IC和集电极-发射极间电压UCE之间的函数关系。由图2-16（b）可以看出，GTR的工作状态可以分为四个区域：截止区（又称阻断区）、线性放大区、准饱和区和饱和区（又称深度饱和区）。

截止区对应于基极电流IB=0的情况，在该区域中，GTR承受高电压，仅有很小的漏电流存在，相当于开关处于断态的情况。该区的特点是发射结和集电结均为反向偏置。

在线性放大区中，集电极电流与基极电流成线性关系，特性曲线近似平直。该区的特点是集电结反向偏置、发射结正向偏置。对工作于开关状态的GTR来说，应当尽量避免工作于线性放大区，否则由于工作在高电压、大电流下，功耗会很大。

准饱和区是指线性放大区和饱和区之间的区域，是输出特性中明显弯曲的部分。在此区域中，随着基区电流的增加，开始出现基区宽调制效应，电流增益开始下降，集电极电流与基区电流之间不再成线性关系，但仍保持着发射结正偏、集电结反偏。

在饱和区中，当基极电流变化时，集电极电流却不再随之变化。此时，该区域的电流增益与导通电压均很小，相当于处于通态的开关。此区的特点是发射结和集电结均处于正向偏置状态。

2）动态特性

GTR主要工作在截止区及饱和区，切换过程中快速通过线性放大区，这个开关过程反映了GTR的动态特性（见图2-17）。

当在GTR基极施以脉冲驱动信号时，GTR将工作在开关状态。在t0时刻加入正向基极电流，GTR经延迟和上升阶段后达到饱和区，故开通时间ton为延迟时间td与上升时间tr之和，其实td是由基极与发射极间结电容CBE充电而引起的，tr是由基区电荷储存需要一定时间而造成的。当反向基极电流信号加到基极时，GTR经存储和下降阶段才返回截止区，则关断时间toff为储存时间ts与下降时间tf之和，其中ts是除去基区超量储存电荷过程引起的，tf是基极与发射极间结电容CBE放电而产生的结果。

在实际应用时，增大驱动电流，可使td和tr都减小，但电流也不能太大，否则将增大储存时间。在关断GTR时，加反向基极电压可加快电容上电荷的释放，从而减少ts与tf，但基极电压不能太大，以免使发射结击穿。

为提高GTR的开关速度，可选用结电容比较小的快速开关晶体管，也可利用加速电容来改善GTR的开关特性。在GTR基极电路的电阻两端并联电容CCB，利用换流瞬间其上电压不能突变的特性可改善晶体管的开关特性。

3）二次击穿现象

二次击穿是GTR突然损坏的主要原因之一，成为影响其安全、可靠使用的一个重要因素。

二次击穿现象可以用图2-18来说明。当集电极-发射极之间的电压UCE增大到集电极-发射极间的击穿电压UCEO时，集电极电流IC将急剧增大，出现击穿现象，如图2-18（a）中AB段所示。这是首次出现正常性质的雪崩现象，称为一次击穿，一般不会损坏GTR器件。一次击穿后如继续增大外加电压UCE，电流IC将持续增长。当达到C点仍继续让GTR器件工作时，由于UCE较高，将产生相当大的能量，使集电极局部过热。当过热持续时间超过一定程度时，UCE会急剧下降至某一低电压值，如果没有限流措施，则将进入低电压、大电流的负阻区CD段，电流增加直至元件烧毁。这种向低电压、大电流状态的跃变称为二次击穿，C点为二次击穿的临界点。所以，二次击穿是在极短的时间内（纳秒至微秒级），能量在半导体处局部集中，形成热斑点，导致热电击穿的过程。

二次击穿在基极正偏（IB＞0）、反偏（IB＜0）及基极开路的零偏状态下均成立。把不同基极偏置状态下开始发生二次击穿所对应的临界点连接起来，可形成二次击穿临界线。由于正偏时二次击穿所需功率往往小于元件的功率容量PCM，故正偏对GTR器件安全造成的威胁最大。反偏工作时，尽管集电极电流很小，但在电感负载下关断时将有感应电势叠加在电源电压上形成高压，也能使瞬时功率超过元件的功率容量而造成二次击穿。

为了防止发生二次击穿，重要的是保证GTR开关过程中瞬间功率不要超过允许的功率容量PCM，这可通过规定GTR的安全工作区及采用缓冲（吸收）电路来实现。

4）安全工作区

GTR器件在工作时不能超过最高工作电压UCEM、最大允许电流ICM、最大耗散功率PCM及二次击穿临界功率PSB。这些限制条件构成了GTR器件的安全工作区（safe operating area，SOA），如图2-19所示。

3.GTR的主要参数

1）电压参数（1）最高电压额定值。最高电压额定值是指集电极击穿电压值（broken voltage，BV），它不仅因器件的不同而不同，而且会因外电路接法不同而不同。击穿电压如下：

①BVCBO为发射极开路时，集-基极的击穿电压。

②BVCEO为基极开路时，集-射极的击穿电压。

③BVCES为基-射极短路时，集-射极的击穿电压。

④BVCER为基-射极间并联电阻时，集-射极的击穿电压。并联电阻越小，其值越高。

⑤BVCEX为基-射极施加反偏压时，集-射极的击穿电压。

各种不同接法时的击穿电压的关系：BVCBO＞BVCEX＞BVCES＞BVCER＞BVCEO。

为了保证器件工作安全，电力晶体管的最高工作电压UCEM应比最小击穿电压BVCEO低。

（2）饱和压降UCES。处于深度饱和区的集电极电压称为饱和压降，在大功率应用中它是一项重要指标，因为它关系到器件导通的功率损耗。单个GTR的饱和压降一般为1～1.5V，它随集电极电流的增加而增大。

2）电流参数

（1）集电极连续直流电流额定值IC。集电极连续直流电流额定值是指只要保证结温不超过允许的最高结温，晶体管允许连续通过的直流电流值。

（2）集电极最大电流额定值ICM。集电极最大电流额定值是指在最高允许结温下，不造成器件损坏的最大电流。超过该额定值必将导致晶体管内部结构的烧毁。在实际使用中，可以利用热容量效应，根据占空比来增大连续电流，但不能超过峰值额定电流。

（3）基极电流最大允许值IBM。基极电流最大允许值比集电极最大电流额定值要小得多，通常IBM=（1/10～1/2）ICM，而基极-发射极之间的最大电压额定值通常只有几伏。

3）其他参数

（1）最高结温TJM。最高结温是指正常工作时不损坏器件所允许的最高温度。它由器件所用的半导体材料、制造工艺、封装方式及可靠性要求来决定。塑封器件一般为120～150℃，金属封装一般为150～170℃。为了充分利用器件功率而又不超过允许结温，GTR使用时必须选配合适的散热器。

（2）最大额定功耗PCM。最大额定功耗是指电力晶体管在最高允许结温时，所对应的耗散功率。它受结温限制，其大小主要由集电极工作电压和集电极电流的乘积决定。一般是在环境温度为25℃时测定，如果环境温度高于25℃，允许的PCM值应当减小。由于这部分功耗全部变成热量使器件结温升高，因此散热条件对GTR的安全可靠十分重要，如果散热条件不好，器件就会因温度过高而烧毁；相反，散热条件越好，在给定的范围内允许的功耗也越高。

4.GTR的缓冲电路

GTR的缓冲电路（又称吸收电路），其作用为降低浪涌电压、减少器件的开关损耗、避免器件的二次击穿、抑制电磁干扰、减少du/dt和di/dt的影响以及提高电路的可靠性。

为了避免同时出现电压和电流的最大值，应分别考虑开启缓冲和关断缓冲的设置，以减少器件的开关耗损。

1）关断缓冲电路图2-20（a）为关断缓冲电路的原理图。关键是加入缓冲电容，限制du/dt。因此，不会出现集电极电压和集电极电流同时为最大的情况，因此不会出现最大瞬时尖峰功耗。电容量越大，瞬时关断损耗越小。

2）开通缓冲电路

图2-20（b）为开通缓冲电路的原理图。开通时的关键因素是di/dt，常采用串联电感的方法进行缓冲。因此不会出现集电极电压和集电极电流同时为最大的情况，因此不会出现最大瞬时尖峰功耗。电感量越大，开通损耗越小。

3）复合缓冲电路

将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起的缓冲电路称为复合缓冲电路，如图2-20（c）所示。

2.4.3　电力MOS场效应晶体管

电力MOS场效应晶体管，简称电力MOSFET（metal oxide semiconductor field effect transistor）是一种单极型的电压控制全控型器件，具有输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快、无二次击穿问题、安全工作区宽、热稳定性优良、高频性能好等显著优点。但由于半导体工艺和材料的限制，迄今还难以制成同时具有高电压和大电流特性的电力MOSFET。在诸如开关电源、小功率变频调速等电力电子设备中，电力MOSFET具有其他电力器件所不能替代的地位。

1.电力MOSFET的基本结构与工作原理

电力MOSFET的种类和结构繁多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道。如图2-21（a）所示为N沟道MOSFET的基本结构示意图。电力MOSFET的图形符号如图2-21（b）、（c）所示，三个引线端分别称为源极S、漏极D、栅极（门极）G。

电力MOSFET在导通时只有一种极性的载流子（N沟道是电子、P沟道是空穴）参与导电，从源极S流向漏极D。

图2-22为电力MOSFET模拟结构示意图。当栅极的UGS为零时，漏极-源极之间两个PN结状态和普通二极管一样，即使在漏极-源极之间施加电压，总有一个PN处于反偏状态，不会形成P区内载流子的移动，即器件保持关断状态。这种正常关断型的MOSFET称为增强型。当栅极加上正向电压（UGS＞0）时，由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电流流过，但在栅极外加电场作用下，P区内少数载流子——电子被吸引而移到栅极下面的区域，栅极下硅表面的电子称为多数载流子，从而P型反型成为N型，形成反型层，如图2-22（b）所示。反型层使PN结消失，此时在漏极-源极正向电压UDS作用下，电子从源极移动到漏极形成漏极电流ID，把这个导电的反型层称为N沟道。UDS越大，沟道越宽，导电能力越强。当栅极加上反向电压（UGS＜0）时，在栅极反向电场作用下，栅极下硅表面产生空穴，故不能通过漏极电流ID。

传统的MOSFET结构把源极、栅极、漏极都安装在硅片的同一侧面上，因而MOSFET中的电流是横向流动的，电流容量不可能太大。目前，电力MOSFET大量采用垂直导电结构，称为VMOSFET，这样MOSFET器件的耐压和电流容量得到了很大的提高。

2.电力MOSFET的工作特性

1）静态特性

电力MOSFET的静态特性主要指输出特性和转移特性。

（1）输出特性。输出特性是指漏极电流ID与漏极电压UDS的关系特性，如图2-23所示。输出特性包括三个区：截止区、饱和区、非饱和区。这里的饱和与非饱和的概念和GTR不同，饱和是指漏极电压增加时，漏极电流不再增加；非饱和是指漏极电压增加时，漏极电流相应增加。

（2）转移特性。转移特性是指漏极电流ID与栅-源电压UGS之间的关系特性，如图2-24所示。

当栅-源电压UGS为负或较小正值时，电力MOSFET不会出现反型层而处于截止状态，即使加了漏极电压UDS，也没有漏极电流ID。当UGS达到开启电压UT时，电力MOSFET开始出现反型层，进入导通状态。栅-源电压UGS越大，反型层越厚，即导电沟道越宽，可以通过的漏极电流就越大。

当ID较大时，ID与UGS的关系近似为线性，转移特性曲线的斜率被定义为

2）动态特性

动态特性主要影响电力MOSFET的开关过程。

图2-25所示为电力MOSFET开关过程波形。MOSFET的开关过程与MOSFET极间电容、信号源的上升时间、内阻等因素有关。

由于电力MOSFET存在输入电容Cin=CGS+CGD，使得栅极加上驱动信号时栅-源电压uGS按指数曲线上升，当UGS上升超过UT时，开始出现漏极电流，这段时间称为开通延迟时间td（on），此后ID随UGS增加而增加。UGS从开启电压上升到MOSFET进入非饱和区的栅-源电压UGSP的这段时间称为上升时间tr，这时，漏极电流ID达到稳定值。ID的稳定值由外部电路决定，UGSP的大小与ID的稳定值有关。

电力MOSFET的开通时间定义为ton=td（on）+tr。关断时，栅-源电压UGS随输入电容的放电按指数曲线下降，当UGS下降到UGSP时，ID才开始减小，这段时间称为关断延迟时间td（off）。此后ID随UGS减小而减小。当UGS＜UT时，MOSFET截止，这段时间称为下降时间tf。电力MOSFET的关断时间定义为toff=td（off）+tf。

MOSFET的开关速度与输入电容有很大关系。使用时可以通过降低驱动电路的输出电阻、减小栅极回路的充放电时间常数以加快开关速度。MOSFET的开关时间很短，一般为10～100μs，是电力电子器件中开关频率最高的器件。

3.电力MOSFET的主要参数

1）漏-源击穿电压UDSM

在增大漏-源电压过程中，使ID开始剧增的UDSM值规定了功率场效应管的电压定额。

2）栅-源击穿电压UGSM

MOSFET栅-源之间有很薄的绝缘层，栅-源电压过高会发生介电击穿，在处于非工作状态时因静电感应引起的栅极上的电荷积聚，也可能造成绝缘层破坏。一般将栅-源电压的极限值定为±40V。

3）最大漏极电流IDM

IDM是脉冲运行状态下功率场效应晶体管漏极最大允许峰值电流。

2.4.4　绝缘栅双极型晶体管

绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态压降低、耐压高和承受电流大等优点，因此发展迅速，备受青睐，正逐步取代MOSFET和GTR，并取代GTO的发展。IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快、使用最广泛的一种混合型器件。由于它的等效结构具有晶体管模式，因此称为绝缘栅双极型晶体管，在电动机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域中得到了广泛的应用。

1.IGBT的基本结构与工作原理

IGBT的基本结构如图2-26（a）所示，其与MOSFET结构十分相似，相当于一个用MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管。IGBT的简化等效电路如图2-26（b）所示，是以PNP型厚基区GTR为主导元件，N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿电路结构器件，RN为GTR基区内的调制电阻。图2-26（c）所示为IGBT的图形符号。

IGBT的开通与关断由栅极电压控制。当栅极上加正向电压时，MOSFET内部形成沟道，并为PNP型晶体管提供基极电流；此时，从P+注入至N区的少数载流子——空穴，对N区进行电导调制，减小该区电阻RN，使IGBT高阻断态转入低阻通态。当栅极加上反向电压时，MOSFET中的导电沟道消除，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

2.IGBT的工作特性

1）静态特性

IGBT的静态特性主要有输出特性和转移特性，如图2-27所示。

（1）输出特性表达了集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系，分为正向阻断区、饱和区、有源区（又称放大区）和击穿区，饱和导通时管压降比P-MOSFET低得多。IGBT输出特性的特点是集电极电流IC受栅极电压UGE控制，UGE越大IC越大。在反向集-射极电压作用下器件呈反向阻断特性，一般只流过微小的反向漏电流。

（2）IGBT的转移特性表示了栅极电压UGE对集电极电流IC的控制关系。在大部分范围内，IC与UGE成线性关系；只有当UGE接近开启电压UGE（th）时才呈现非线性关系，IC变得很小；当UGE＜UGE（th）时，IC=0，IGBT处于关断状态。

2）动态特性

IGBT的开关过程波形如图2-28所示。

IGBT的开通过程与P-MOSFET相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间内作为MOSFET运行。

IGBT的开通过程包括开通延迟时间段td（on）和电流上升时间段tr。开通延迟时间段td（on）是指从控制电压波形UGE上升至幅值的10％开始，到集电极电流IC上升到稳定值ICM的10％这段过程。电流上升时间段tr是指集电极电流IC从10％ICM上升至90％ICM所需的时间。开通时间ton为开通延迟时间与电流上升时间之和，即ton=td（on）+tr。在开通过程中，UGE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。其中，tfv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2为MOSFET和PNP型晶体管同时工作的电压下降过程。

IGBT的关断过程包括关断延迟时间段td（off）和电流下降时间段tf。关断延迟时间段tf是指从UGE后下降到其幅值90％的时刻起，到IC下降至90％ICM的这段时间。而电流下降时间段tf是指从90％ICM下降至10％ICM的时间。电流下降时间段tf又可分为tfi1和tfi2两段。其中，tfi1是指IGBT内部的MOSFET的关断过程，IC下降较快；tfi2是指IGBT内部的PNP型晶体管的关断过程，IC下降较慢。缩短时间段tf的办法是减轻IGBT的饱和深度。关断时间toff为关断延迟时间与电流下降时间之和，即toff=td（off）+tf。

IGBT中由于双极型PNP型晶体管的存在，带来了电导调制效应使导通电阻下降的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于P-MOSFET。此外，IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折中的参数。工艺结构决定了高压器件必然会导致通态压降的增大和关断时间的延长。

3.IGBT的擎住效应

1）擎住效应

在IGBT内存在一个由两个晶体管构成的寄生晶闸管，同时P区内存在一个体区电阻Rbr，跨接在N+PN型晶体管的基极与发射极之间，P区的横向空穴电流会在其上产生压降，在J3结上形成一个正向偏置电压。若IGBT的集电极电流IC大到一定程度，这个Rbr上的电压足以使N+PN型晶体管开通，经过连锁反应，可使寄生晶闸管导通，从而IGBT栅极对器件失去控制，这就是所谓的擎住效应。它将使IGBT集电极电流增大，产生过高功率，导致器件损坏。

擎住效应有静态与动态之分。静态擎住效应是指通态集电极电流大于某临界值后产生的擎住效应；动态擎住效应是指关断过程中产生的擎住效应。IGBT关断时，MOSFET结构部分关断速度很快，J2结的反压迅速建立，反压建立速度与IGBT重加电压上升率duCE/dt大小有关。duCE/dt越大，J2结反压建立越快，关断越迅速，但在J2结上引起的位移电流（duCE/dt）也越大。此位移电流流过体区电阻Rbr时，产生足以使N+PN型晶体管导通的正向偏置电压，使寄生晶闸管开通，即发生动态擎住效应。由于动态擎住时允许的集电极电流比静态擎住时小，故器件的ICM应按动态擎住所允许的数值来决定。为了避免发生擎住效应，使用中应保证集电极电流不超过ICM，或者增大栅极电阻RG以减缓IGBT的关断速度，减小duCE/dt的值。总之，使用中必须避免发生擎住效应，以确保器件的安全。

2）安全工作区

IGBT开通与关断时，均具有较宽的安全工作区。IGBT开通时对应正向偏置安全工作区（FBSOA）如图2-29（a）所示。它是由避免动态擎住而确定的最大集电极电流ICM、器件内P+NP型晶体管击穿电压确定的最大允许集-射极电压UCEO及最大允许功耗线所框成的。值得指出的是，由于饱和导通后集电极电流IC与集-射极电压uCE无关，其大小由栅极电压UG决定，故可通过控制UG来控制IC，进而避免擎住效应发生，因此还可确定出最大集电极电流ICM对应的最大栅极电压UGM。

IGBT关断时所对应的为反向偏置安全工作区（RBSOA），如图2-29（b）所示。它随着关断时的重加电压上升率duCE/dt变化，duCE/dt越大，越易产生动态擎住效应，安全工作区越小。一般可以通过选择适当栅极电压UG和栅极驱动电阻RG来控制duCE/dt，避免擎住效应发生，扩大安全工作区。

4.IGBT的优缺点

由于IGBT是MOSFET和双极型功率晶体管的复合器件，所以它具有以下优点：

（1）IGBT的输入级是MOSFET，在栅极（G）和发射极（E）之间加上驱动电压时，MOSFET便进入导通或关断状态。因此，IGBT是一种电压控制型器件。

（2）在IGBT中，MOSFET的开关速度非常快，所以IGBT的开关速度取决于等效晶体管的开关速度。在IGBT中，通过对N+区厚度的最佳化来抑制过量载流子的注入，并通过引入寿命抑制机构，减少储存载流子的消散时间，来缩短等效晶体管的开关时间，从而提高了IGBT的开关速度，使其比双极型功率晶体管快得多。

（3）当在IGBT的集电极（C）和发射极（E）之间加负电压吋，由于J1结处于反向偏置，在集电极（C）和发射极（E）之间不可能有电流流过。由于IGBT比MOSFET多了一个PN结，使IGBT比MOSFET具有更高的耐压。由于IGBT的P+区的存在，使IGBT处于导通时，正载流子从P+区注入，并积累在N区，这使IGBT导通时呈低阻态，所以IGBT的电流容量比MOSFET大。

（4）在IGBT处于导通时，集-射极电压UCE的大小能反映过电流情况。因此，可以通过测量UCE来识别过电流情况。一旦UCE高于某一数值表明出现过电流情况时，可控制栅极电压快速变为零或负电压，使IGBT快速关断，实现对IGBT的过电流保护。

IGBT的缺点如下：

（1）因为IGBT工作时，其漏极区（P+区）将要向漂移区（N区）注入少数载流子——空穴，则在漂移区中存储有少数载流子电荷；当IGBT关断（栅极电压降为0）时，这些存储的电荷不能立即去掉，从而IGBT的漏极电流也就相应地不能马上消失，即漏极电流波形有一个较长时间的拖尾——关断时间较长（10～50ms）。所以，IGBT的工作频率较低。为了缩短关断时间，可以采用电子辐照等方法来降低少数载流子寿命，但这将会引起正向压降的增大等弊病。

（2）IGBT中存在寄生晶闸管，这就使得器件的最大工作电流要受到此寄生晶闸管闩锁效应的限制。采用阴极短路技术可以适当地减弱这种不良影响。