IGBT的結構原理及特性（課堂PPT）

1、現(xiàn)代電力電子技術現(xiàn)代電力電子技術 3.5 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）CONTENTIGBT的基本結構和工作的基本結構和工作原理原理3.5.1 IGBT的工作特性的工作特性3.5.2IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)3.5.31 IGBT簡介IGBT，絕緣柵雙極晶體管（ Insulated Gate Bipolar Transistor ），它是由BJT（雙極結型晶體管）和MOSFET（絕緣柵型場效應管）組合而成的全控型、電壓驅動型半導體器件。 BJT（Bipolar Junction Transistor）雙極結型晶體管主要特征是：耐壓高、電流大、開關特性好。缺點：驅動功率大、驅

2、動電路復雜、開關速度慢。 MOSFET絕緣柵型場效應管主要特征是：驅動電路簡單，所需要的驅動功率??；開關速度快、工作頻率高。缺點：電流容量小、耐壓低英飛凌IGBT 三菱IGBTIGBT被廣泛用于電動汽車、新能源裝備、智能電網(wǎng)、軌道交通、和航空航天等領域，IGBT是能源變換和傳輸?shù)淖詈诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的CPU，是目前最先進、應用最廣泛的第三代半導體器件，作為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，IGBT在涉及國家經(jīng)濟安全、國防安全等領域占據(jù)重要地位。2 IGBT的國內外研究現(xiàn)狀縱觀全球市場，IGBT主要供應廠商基本是歐美及幾家日本公司，它們代表著目前IGBT技術的最高水平，包括德國英飛凌、瑞士ABB、美國I

3、R、飛兆以及日本三菱、東芝、富士等公司。在高電壓等級 領域（3300V以上）更是完全由其中幾家公司所控制，在大功率溝槽技術方面，英飛凌與三菱公司處于國際領先水平。這些公司不僅牢牢控制著市場，還在技術上擁有大量的專利。國外國外近幾年，國內IGBT技術發(fā)展也比較快，國外廠商壟斷逐漸被打破，已取得一定的突破，國內IGBT行業(yè)近幾年的發(fā)展大事記：（1）2011年12月，北車西安永電成為國內第一個、世界第四個能夠封裝6500V以上IGBT產(chǎn)品的企業(yè)。（2）2013年9月，中車西安永電成功封裝國內首件自主設計生產(chǎn)的50A/3300V IGBT芯片；（3）2014年6月，中車株洲時代推出全球第二條、國內首條

4、8英寸IGBT芯片專業(yè)生產(chǎn)線投入使用；（4）2015年10月，中車永電/上海先進聯(lián)合開發(fā)的國內首個具有完全知識產(chǎn)權的6500V高鐵機車用IGBT芯片通過高鐵系統(tǒng)上車試驗；（5）2016年5月，華潤上華/華虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和溝槽型1700V、 2500V和3300V IGBT芯片已進入量產(chǎn)。國內國內1 的基本結構三端器件：柵極G、集電極C、發(fā)射極E。IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內部結構示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號的工作原理的驅動原理與電力基本相同，是一種場控器件，其開通和關斷由柵射極電壓uGE決定；導通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(t

5、h)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通；關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。1 靜態(tài)特性圖 IGBT的轉移特性和輸出特性a) 轉移特性 b) 輸出特性 動態(tài)特性IGBT的開關特性（）IGBT的開通過程l 開通延遲時間td(on) 從uGE上升至其幅值10%到iC上升到幅值的10% 的時間 ；l 上升時間tr iC從幅值的10%上升至90%所需時間；l 開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和。 即：ton = td(on) + trl uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOS

6、FET單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。（2）IGBT的關斷過程u關斷延遲時間td(off) 從uGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到iC下降至幅值的90%；u下降時間tfiC從幅值的90%下降至10%的時間；的時間；u關斷時間toff關斷延遲時間與下降時間之和。 即： toff = td(off) + tfu下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。 tfi1IGBT內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快 tfi2IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢uIGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關速度低于電力MOSFET。（1）最大集射極間電壓UCES 由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定；（2）最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP ；（3）最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗 。（2）IGBT的的特性和參數(shù)特點總結： IGBT開