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绝缘栅双极晶体管原理-特点与参数

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2019-11-04 浏览:-

绝缘栅双极晶体管原理、特点及参数

绝缘栅双极晶体管IGBT又叫绝缘栅双极型晶体管。

一.绝缘栅双极晶体管的工作原理:

半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料,供感兴趣的同事可以查阅。

该器件符号如下:

绝缘栅双极晶体管

N沟道         P沟道

图1-8:IGBT的图形符号

注意,它的三个电极分别为门极G、集电极C、发射极E。

绝缘栅双极晶体管

图1-9:IGBT的等效电路图。

上面给出了该器件的等效电路图。实际上,它相当于把MOS管和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了MOS管、GTR的优点。

二.绝缘栅双极晶体管的特点:

这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高,速度快,热稳定性好。通态电压低,耐压高,电流大。

它的电流密度比MOSFET大,芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。

大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平(参考)。速度在中等电压区域(370-600V),可达到150-180KHz。

三.绝缘栅双极晶体管的参数与特性:

(1)转移特性

绝缘栅双极晶体管

图1-10:IGBT的转移特性

这个特性和MOSFET极其类似,反映了管子的控制能力。

(2)输出特性

绝缘栅双极晶体管

图1-11:IGBT的输出特性

它的三个区分别为:

靠近横轴:正向阻断区,管子处于截止状态。

爬坡区:饱和区,随着负载电流Ic变化,UCE基本不变,即所谓饱和状态。

水平段:有源区。

(3)通态电压Von:

J963.jpg

图1-12:IGBT通态电压和MOSFET比较

所谓通态电压,是指IGBT进入导通状态的管压降VDS,这个电压随VGS上升而下降。

由上图可以看到,IGBT通态电压在电流比较大时,Von要小于MOSFET。

MOSFET的Von为正温度系数,IGBT小电流为负温度系数,大电流范围内为正温度系数。

(4)开关损耗:

常温下,IGBT和MOSFET的关断损耗差不多。MOSFET开关损耗与温度关系不大,但IGBT每增加100度,损耗增加2倍。

开通损耗IGBT平均比MOSFET略小,而且二者都对温度比较敏感,且呈正温度系数。

两种器件的开关损耗和电流相关,电流越大,损耗越高。

(5)安全工作区与主要参数ICM、UCEM、PCM:

IGBT的安全工作区是由电流ICM、电压UCEM、功耗PCM包围的区域。

J964.jpg

图1-13:IGBT的功耗特性

最大集射极间电压UCEM:取决于反向击穿电压的大小。

最大集电极功耗PCM:取决于允许结温。

最大集电极电流ICM:则受元件擎住效应限制。

所谓擎住效应问题:由于IGBT存在一个寄生的晶体管,当IC大到一定程度,寄生晶体管导通,栅极失去控制作用。此时,漏电流增大,造成功耗急剧增加,器件损坏。

安全工作区随着开关速度增加将减小。

(6)栅极偏置电压与电阻

IGBT特性主要受栅极偏置控制,而且受浪涌电压影响。其di/dt明显和栅极偏置电压、电阻Rg相关,电压越高,di/dt越大,电阻越大,di/dt越小。

而且,栅极电压和短路损坏时间关系也很大,栅极偏置电压越高,短路损坏时间越短。

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