絕緣柵雙極晶體管

1、絕緣柵雙極晶體管1第1頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48分，星期二2.4 絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號2第2頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48分，星期二2.4 絕緣柵雙極晶體管圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區(qū)，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)P

2、NP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻。圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 IGBT的結構3第3頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48分，星期二2.4 絕緣柵雙極晶體管 驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調制效應使電阻RoN減小，使通態(tài)壓降減小。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。

3、IGBT的原理4第4頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48分，星期二a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2.4 絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性 (1)IGBT的靜態(tài)特性圖1-23 IGBT的轉移特性和輸出特性a) 轉移特性 b) 輸出特性轉移特性IC與UGE間的關系(開啟電壓UGE(th)輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。5第5頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48分，星期二2.4 絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEM

4、tfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開關過程IGBT的開通過程 與MOSFET的相似開通延遲時間td(on) 電流上升時間tr 開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET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的動態(tài)特性6第6頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48分，星期二2.4 絕緣柵雙極晶體管圖1-24 IGBT的開關過程關斷延遲時間td(off）電流下降時間tf 關

5、斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT器件內部的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。 IGBT的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM7第7頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48分，星期二2.4 絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈

6、寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓UCES8第8頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48分，星期二2.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下：開關速度高，開關損耗小。 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點 。 9第9頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48分，星期二2.4 絕緣柵雙極晶體管擎住效應或自鎖效應

7、： IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件 。最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。 反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。10第10頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48分，星期二2.4 絕緣柵雙極晶體管4) IGBT的驅動電路IGBT是電壓驅動型器件。為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。使IGBT開通的驅動電壓一般15 20V。關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取-5 -15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。11第11頁，共12頁，2022年，5月20日，19點48