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IGBT管的工作原理是什麽,結構是什麽

作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2010-9-19
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型功率管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方麵的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流係統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域.
IGBT 的工作特性包括靜態和動態兩類:
  1 .靜態特性
  IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。
  IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時,漏極電流與柵極電壓之間的關係曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控製,Ugs 越高, Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似.也可分為飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態下的IGBT ,正向電壓由J2 結承擔,反向電壓由J1結承擔。如果無N+ 緩衝區,則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平,加入N+緩衝區後,反向關斷電壓隻能達到幾十伏水平,因此限製了IGBT 的某些應用範圍。
  IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關係曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同,當柵源電壓小於開啟電壓Ugs(th) 時,IGBT 處於關斷狀態。在IGBT 導通後的大部分漏極電流範圍內, Id 與Ugs呈線性關係。最高柵源電壓受最大漏極電流限製,其最佳值一般取為15V左右。
  IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關係。IGBT 處於導通態時,由於它的PNP 晶體管為寬基區晶體管,所以其B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構,但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時,通態電壓Uds(on) 可用下式表示
  Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
  式中Uj1 —— JI 結的正向電壓,其值為0.7 ~1V ;Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降;Roh ——溝道電阻。
  通態電流Ids 可用下式表示:
  Ids=(1+Bpnp)Imos
  式中Imos ——流過MOSFET 的電流。
  由於N+ 區存在電導調製效應,所以IGBT 的通態壓降小,耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 ~ 3V 。IGBT 處於斷態時,隻有很小的泄漏電流存在。
  2 .動態特性
  IGBT 在開通過程中,大部分時間是作為MOSFET 來運行的,隻是在漏源電壓Uds 下降過程後期, PNP 晶體管由放大區至飽和,又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間, tri 為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。
  IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓,柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時,必須基於以下的參數來進行:器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發射極阻抗大,故可使用MOSFET驅動技術進行觸發,不過由於IGBT的輸入電容較MOSFET為大,故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。
  IGBT在關斷過程中,漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷後,PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除,造成漏極電流較長的尾部時間,td(off)為關斷延遲時間,trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成,而漏極電流的關斷時間
  t(off)=td(off)+trv十t(f)
  式中,td(off)與trv之和又稱為存儲時間。
  IGBT的開關速度低於MOSFET,但明顯高於GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間,但關斷時間隨柵極和發射極並聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3~4V,和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近,飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。
  正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限,遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求;高壓領域的許多應用中,要求器件的電壓等級達到10KV以上,目前隻能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研製出了8KV的IGBT器件,德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際應用,日本東芝也已涉足該領域。與此同時,各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術,主要采用1um以下製作工藝,研製開發取得一些新進展。
Tags:IGBT管,工作原理  
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