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凡亿专栏 | 全控型器件——绝缘栅双极晶体管
全控型器件——绝缘栅双极晶体管

全控型器件——绝缘栅双极晶体管"

GTR和GTO是双极型电流驱动器件,由于具有电导调制效应,其通流能力很强,但开关速度较低,所需驱动功率大,驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件,开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管(Insulated-gateBipolar Transistor——IGBT或IGT)综合了GTR和MOSFET的优点,因而具有良好的特性。


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结构和工作原理

IGBT是以GTR为主导元件,MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其外部有三个电极,分别为G-栅极,C-集电极,E-发射极。由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT,比VDMOSFET多一层P 注入区,实现对漂移区电导率进行调制,使得IGBT具有很强的通流能力。

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IGBT结构

简化等效电路表明,IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构,相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。

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IGBT的工作原理:驱动原理与电力MOSFET基本相同,是一种场控器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通;当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时, MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,使得IGBT关断。

电导调制效应使得电阻Rg减小,这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。

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基本特性

静态特性

转移特性:描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系。

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转移特性曲线

开启电压UGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压,随温度升高而略有下降。

输出特性(伏安特性):描述的是以栅射电压为参考变量时,集电极电 流IC与集射极间电压UCE 之间的关系。

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输出特性曲线

分为三个区域:正向阻断区、有源区和饱和区。当UCE <0时,igbt为反向阻断工作状态。在电力电子电路中, igbt="">

动态特性

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开通过程

开通延迟时间td(on)

电流上升时间tr

电压下降时间tfv

开通时间ton = td(on)  tr tfv  (tfv 分为tfv1 和tfv2 两段)

关断过程

关断延迟时间td(off)

电压上升时间trv

电流下降时间tfi

关断时间toff = td(off)  trv  tfi  (tfi 分为tfi1 和tfi2 两段)

引入了少子储存现象,因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。

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主要参数

  1. 前面提到的各参数。

  2. 最大集射极间电压UCES:由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。

  3. 最大集电极电流:包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。

  4. 最大集电极功耗PCM:在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

IGBT的特性和参数特点可以总结如下:

  • 开关速度高,开关损耗小。

  • 在相同电压和电流定额的情况下,IGBT的安全工作区比GTR大,而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

  • 通态压降比VDMOSFET低,特别是在电流较大的区域。

  • 输入阻抗高,其输入特性与电力MOSFET类似。

  • 与电力MOSFET和GTR相比,IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高,同时保持开关频率高的特点。

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擎住效应和安全工作区

IGBT的擎住效应:

在IGBT内部寄生着一个N-PN 晶体管和作为主开关器件的P N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻,P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降,相当于对J3结施加一个正向偏压,一旦J3开通,栅极就会失去对集电极电流的控制作用,电流失控,这种现象称为擎住效应或自锁效应。

引发擎住效应的原因,可能是集电极电流过大(静态擎住效应),dUCE /dt过大(动态擎住效应),或温度升高。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小,因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。

IGBT的安全工作区:

正向偏置安全工作区(Forward Biased Safe Operating Area——FBSOA):根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。

反向偏置安全工作区(Reverse Biased Safe Operating Area——RBSOA):根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dUCE /dt。


以上针对IGBT做了简单的介绍,关于IGBT,有很多地方值得去关注,同时针对IGBT的技术仍在研究,因为采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能和绿色环保的特

点,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。后续我们会慢慢进行介绍。

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