绝缘栅双极晶体管

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1-,*,2.4,绝缘栅双极晶体管,两类器件取长补短结合而成的复合器件,Bi-MOS,器件,绝缘栅双极晶体管,（,Insulated-gate Bipolar Transistor,IGBT,或,IGT),GTR,和,MOSFET,复合，结合二者的优点。,1986,年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。,继续提高电压和电流容量，以期再取代,GTO,的地位,。,GTR,和,GTO,的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。,MOSFET,的优点单极型，电压驱动，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。,1,2.4,绝缘栅双极晶体管,1) IGBT的结构和工作原理,三端器件：栅极,G,、,集电极,C,和发射极,E,图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号,a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,2,2.4,绝缘栅双极晶体管,图,1-22aN,沟道,VDMOSFET,与,GTR,组合,N,沟道,IGBT,。,IGBT,比,VDMOSFET,多一层,P,+,注入区，具有很强的通流能力。,简化等效电路表明,，,IGBT,是,GTR,与,MOSFET,组成的达林顿结构，一个,由,MOSFET,驱动的厚基,区,PNP,晶体管。,R,N,为晶体管基区内的调制电阻。,图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号,a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,IGBT,的结构,3,2.4,绝缘栅双极晶体管,驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压,u,GE,决定。,导,通,：,u,GE,大于,开启电压,U,GE(th,),时，,MOSFET,内形成沟道，为晶体管提供基极电流,，,IGBT,导通。,通态压降,：电导调制效应使电阻,R,oN,减小，使通态压降减小。,关断,：栅射极间施加反压或不加信号时，,MOSFET,内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断,，,IGBT,关断。,IGBT,的原理,4,a,),b,),O,有源区,正向阻断区,饱,和,区,反向阻断区,I,C,U,GE(th),U,GE,O,I,C,U,RM,U,FM,U,CE,U,GE(th),U,GE,增加,2.4,绝缘栅双极晶体管,2) IGBT的基本特性,(1),IGBT的静态特性,图1-23 IGBT的转移特性和输出特性,a) 转移特性 b) 输出特性,转移特性,I,C,与,U,GE,间的关系(,开启电压,U,GE(th),),输出特性,分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。,5,2.4,绝缘栅双极晶体管,t,t,t,10%,90%,10%,90%,U,CE,I,C,0,O,0,U,GE,U,GEM,I,CM,U,CEM,t,fv1,t,fv2,t,off,t,on,t,fi1,t,fi2,t,d(off),t,f,t,d(on),t,r,U,CE(on),U,GEM,U,GEM,I,CM,I,CM,图1-24 IGBT的开关过程,IGBT,的开通过程,与,MOSFET,的相似,开通延迟时间,t,d(on),电流上升时间,t,r,开通时间,t,on,u,CE,的下降过程分为,t,fv1,和,t,fv2,两段。,t,fv1,IGBT,中,MOSFET,单独工作的电压下降过程；,t,fv2,MOSFET,和,PNP,晶体管同时工作的电压下降过程,。,(2),IGBT,的动态特性,6,2.4,绝缘栅双极晶体管,图1-24 IGBT的开关过程,关断延迟时间,t,d(off,）,电流下降时间,t,f,关断时间,t,off,电流下降时间又可分为,t,fi1,和,t,fi2,两段。,t,fi1,IGBT,器件内部,的,MOSFET,的关断过程,，,i,C,下降,较,快。,t,fi2,IGBT,内部,的,PNP,晶体管的关断过程,，,i,C,下降较,慢。,IGBT,的关断过程,t,t,t,10%,90%,10%,90%,U,CE,I,C,0,O,0,U,GE,U,GEM,I,CM,U,CEM,t,fv1,t,fv2,t,off,t,on,t,fi1,t,fi2,t,d(off),t,f,t,d(on),t,r,U,CE(on),U,GEM,U,GEM,I,CM,I,CM,7,2.4,绝缘栅双极晶体管,3) IGBT的主要参数,正常工作温度下允许的最大功耗 。,(3),最大集电极功耗,P,CM,包括额定直流电流,I,C,和1ms脉宽最大电流,I,CP,。,(2),最大集电极电流,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,(1),最大集射极间电压,U,CES,8,2.4,绝缘栅双极晶体管,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。,相同电压和电流定额时，安全工作区比,GTR,大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。,通态压降比,VDMOSFET,低。,输入阻抗高，输入特性与,MOSFET,类似。,与,MOSFET,和,GTR,相比，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 。,9,2.4,绝缘栅双极晶体管,擎住效应或自锁效应,：,IGBT,往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件 。,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,d,u,CE,/dt,确定。,反向偏置安全工作区,（,RBSOA,）,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。,正偏安全工作区,（,FBSOA,）,动态擎住效应,比,静态擎住效应,所允许的集电极电流小。,擎住效应曾限制,IGBT,电流容量提高，,20,世纪,90,年代中后期开始逐渐解决。,NPN晶体管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,J,3,结施加正偏压，一旦,J,3,开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。,10,2.4,绝缘栅双极晶体管,4) IGBT的驱动电路,IGBT,是电压驱动型器件。,为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。,使,IGBT,开通的驱动电压一般,15 20V,。,关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取,-5 ,-15V,）有利于减小关断时间和关断损耗。,在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。,11,2.4,绝缘栅双极晶体管,IGBT,的保护,过电压保护,措施：主要是利用缓冲电路抑制过电压的产生。,过电流保护,措施：主要是通过检出过电流信号后切断栅极控制信号的办法来实现。,12,