【正文】 具有很強(qiáng)的通流能力 ?簡化等效電路表明 ， IGBT是 GTR與 MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu) ， 一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) PNP晶體管 ? RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻 ■ 77 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的原理 驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通 ： uGE大于 開啟電壓 UGE(th)時(shí) ， MOSFET內(nèi)形成溝道 ， 為晶體管提供基極電流 ， IGBT導(dǎo)通 ? 導(dǎo)通壓降 ： 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻 RN減小 ， 使通態(tài)壓降小 ? 關(guān)斷 ： 柵射極間施加反壓或不加信號時(shí) ， MOSFET內(nèi)的溝道消失 ， 晶體管的基極電流被切斷 ， IGBT關(guān)斷 ■ 78 絕緣柵雙極晶體管 2. IGBT的基本特性 1) IGBT的靜態(tài)特性 圖 123 IGBT的轉(zhuǎn)移特性 a)和輸出特性 b) O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a ) b )ICUG E (t h )UGEOICURMUFMUCEUG E (t h )UGE增加 ■ 開啟電壓 79 絕緣柵雙極晶體管 ? 轉(zhuǎn)移特性 —— IC與 UGE間的關(guān)系 ， 與 MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似 ?開啟電壓 UGE(th)—— IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓 ?UGE(th)隨溫度升高而略有下降 ， 在 +25?C時(shí) ， UGE(th)的值一般為 2~6V ? 輸出特性 （ 伏安特性 ） —— 以 UGE為參考變量時(shí) ， IC與 UCE間的關(guān)系 ?分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū) 、 有源區(qū)和飽和區(qū) 。 ?uCE0時(shí) ， IGBT為反向阻斷工作狀態(tài) ■ 80 絕緣柵雙極晶體管 ? 2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性 圖 124 IGBT的開關(guān)過程 ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM ■ 開通延遲時(shí)間 td(on) 電流上升時(shí)間 tr 開通時(shí)間 ton MOSFET單獨(dú)工作 81 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的開通過程 ： 與 MOSFET的相似 ， 因?yàn)殚_通過程中 IGBT在大部分時(shí)間作為 MOSFET運(yùn)行 ?開通延遲時(shí)間 td(on) —— 從 uGE上升至其幅值 10%的時(shí)刻 ， 到 iC上升至 10% ICM止； ?電流上升時(shí)間 tr —— iC從 10%ICM上升至 90%ICM所需時(shí)間； ? 開通時(shí)間 ton—— 開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和 ?uCE的下降過程分為 tfv1和 tfv2兩段 。 tfv1—— IGBT中MOSFET 單獨(dú)工作的電壓下降過程； tfv2——MOSFET和 PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程 ■ 82 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的關(guān)斷過程 ?關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) —— 從 uGE后沿下降到其幅 值 90%的時(shí)刻起 ， 到 iC下降至 90%ICM ? 電流下降時(shí)間 —— iC從 90%ICM下降至 10%ICM ? 關(guān)斷時(shí)間 toff—— 關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和 ?電流下降時(shí)間又可分為 tfi1和 tfi2兩段 。 tfi1——IGBT內(nèi)部的 MOSFET的關(guān)斷過程 ， iC下降較快； tfi2—— IGBT內(nèi)部的 PNP晶體管的關(guān)斷過程 ， iC下降較慢 ■ 83 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT中雙極型 PNP晶體管的存在 ， 雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處 ， 但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象 ， 因而IGBT的開關(guān)速度低于電力 MOSFET ?IGBT的擊穿電壓 、 通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù) ? 3. IGBT的主要參數(shù) ?1) 最大集射極間電壓 UCES 由內(nèi)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 ■ 84 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn) (1) 開關(guān)速度高 ， 開關(guān)損耗小 。 在電壓 1000V以上時(shí) ， 開關(guān)損耗只有 GTR 的 1/10 ， 與電力MOSFET相當(dāng) (2) 相同電壓和電流定額時(shí) ， 安全工作區(qū)比 GTR 大 ， 且具有耐脈沖電流沖擊能力 (3) 通態(tài)壓降比 VDMOSFET低 ， 特別是在電流較大的區(qū)域 (4) 輸入阻抗高 ， 輸入特性與 MOSFET類似 (5) 與 MOSFET和 GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持 開關(guān)頻率高 的特點(diǎn) ■ 85 絕緣柵雙極晶體管 ? 4. IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) ? 寄生晶閘管 —— 由一個(gè) NPN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+NP晶體管組成 ? 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng) ： 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(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降 ， 相當(dāng)于對 J3結(jié)施加正偏壓 ， 一旦 J3開通 ， 柵極就會(huì)失去對集電極電流的控制作用 ， 電流失控 。 原因：集電極電流過大 （ 靜態(tài) ） ， du/dt 過大 （ 動(dòng)態(tài) ） 。 E GCN+Na)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J 3 J2J1GEC+++IDRNICVJ1IDRonb )GCc )圖 122 IGBT的結(jié)構(gòu) a) 、簡化等效電路 b)和電氣圖形符號 c) ■ E 86 絕緣柵雙極晶體管 ?動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小 ?擎住效應(yīng)曾限制 IGBT電流容量提高 ， 20世紀(jì) 90年代中后期開始逐漸解決 ? 安全工作區(qū) ?正偏安全工作區(qū) （ FBSOA） —— 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 ?反向偏臵安全工作區(qū) （ RBSOA） —— 最大集電極電流 、 最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定 ? 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(dǎo)器件 ■ 87 IGBT、 GTR、 GTO和電力 MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的比較： 器 件 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) IGBT 開關(guān)速度高，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低， 開關(guān)速度低于電力 MOSFET，電壓、電流容 量不及 GTO GTR 耐壓高，電流大，開關(guān)特性好， 通流能力強(qiáng)，飽和壓降低 開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題 GTO 電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng) 電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低 電力MOSFET 開關(guān)速度快，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高，熱穩(wěn)定性好，不存在 二次擊穿 問題 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10KW的電力電子裝臵 88 作業(yè) ? P42 題 8和 9 其中： ①題 7改成：驅(qū)動(dòng)電路的作用、任務(wù)、隔離方法；晶閘管觸發(fā)電路的要求，實(shí)現(xiàn)方法；IGBT、 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)。 ②題 9只寫 IGBT和 MOSFET 的優(yōu)缺點(diǎn)。 89 補(bǔ)充概念 ? P25 ? 一次擊穿： 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速最大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。出現(xiàn)一次擊穿后，只要 IC不超過與最大允許耗散功率相對應(yīng)的限度，器件一般不會(huì)損壞，工作特性也不會(huì)有什么變化。 ? 二次擊穿： 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中常常發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效的限制電流， IC增加到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。常導(dǎo)致器件永久損壞。 返回 90 在 PN結(jié)外加正向電壓（正向偏臵）情況下，當(dāng)PN結(jié)上流過的 正向電流較小時(shí) ，二極管的 電阻主要是作為基片的低摻雜 N區(qū)的歐姆電阻 ，其阻值較高且為常量，因而管壓降隨正向電流的上升而增加； 當(dāng) PN結(jié)上流過的 正向電流較大時(shí) ，注入并積累在低摻雜 N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導(dǎo)體電中性條件，其多子濃度也相應(yīng)大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，也就是 電導(dǎo)率大大增加 ，這就是 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得 PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在 1V左右，所以正向偏臵的 PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。 返回