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绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
1)IGBT的结构和工作原理
三端(sānduān)器件:栅极G、集电极C和发射极E
图1-22IGBT的结构、简化(jiǎnhuà)等效电路和电气图形符号
a)内部结构断面示意图b)简化(jiǎnhuà)等效电路c)电气图形符号
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绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
三端(sānduān)器件:栅极G、集电极C和发射极E
通态压降比VDMOSFET低。
绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
开关速度高,开关损耗小。
正偏安全工作区(FBSOA)
三端(sānduān)器件:栅极G、集电极C和发射极E
输入阻抗高,输入特性与MOSFET类似。
分为三个区域:正向阻断区、有源区和饱和区。
4)IGBT的驱动电路
绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
2)IGBT的基本特性(tèxìng)
4)IGBT的驱动电路
2)IGBT的基本特性(tèxìng)
绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。
IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区,具有很强的通流能力。
简化等效电路表明,IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构,一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。
RN为晶体管基区内(qūnèi)的调制电阻。
图1-22IGBT的结构(jiégòu)、简化等效电路和电气图形符号
a)内部结构(jiégòu)断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号
IGBT的结构
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分为三个区域:正向阻断区、有源区和饱和区。
开关速度高,开关损耗小。
2)IGBT的基本特性(tèxìng)
通态压降:电导调制效应使电阻RoN减小,使通态压降减小。
通态压降比VDMOSFET低。
关断:栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流(diànliú)被切断,IGBT关断。
RN为晶体管基区内(qūnèi)的调制电阻。
-15V)有利于减小关断时间和关断损耗。
擎住效应(xiàoyìng)或自锁效应(xiàoyìng):
输入阻抗高,输入特性与MOSFET类似。
与MOSFET和GTR相比,耐压和通流能力还可以进一步提高,同时保持开关频率高的特点。
图1-22IGBT的结构、简化(jiǎnhuà)等效电路和电气图形符号
——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。
动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。
(2)   IGBT的动态特性
擎住效应曾限制IGBT电流容量提高,20世纪90年代中后期开始逐渐解决。
绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
驱动原理与电力MOSFET基本相同,场控器件,通断由栅射极电压uGE决定。
导通:uGE大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流(diànliú),IGBT导通。
通态压降:电导调制效应使电阻RoN减小,使通态压降减小。
关断:栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流(diànliú)被切断,IGBT关断。
IGBT的原理(yuánlǐ)
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a
)
b
)
O
有源区
正向阻断区
饱
和
区
反向阻断区
I
C
U
GE(th)
U
GE
O
I
C
U
RM
U
FM
U
CE
U
GE(th)
U
GE
增加
绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
2)IGBT的基本特性(tèxìng)
(1) IGBT的静态特性(tèxìng)
图1-23IGBT的转移(zhuǎnyí)特性和输出特性
a)转移(zhuǎnyí)特性b)输出特性
转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))
输出特性
分为三个区域:正向阻断区、有源区和饱和区。
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绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
t
t
t
10%
90%
10%
90%
U
CE
I
C
0
O
0
U
GE
U
GEM
I
CM
U
CEM
t
fv1
t
fv2
t
off
t
on
t
fi1
t
fi2
t
d(off)
t
f
t
d(on)
t
r
U
CE(on)
U
GEM
U
GEM
I
CM
I
CM
图1-24IGBT的开关(kāiguān)过程
IGBT的开通过程      
与MOSFET的相似(xiānɡsì)
开通延迟时间td(on)
电流上升时间tr
开通时间ton
uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。
tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程;
tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。
(2)   IGBT的动态特性
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绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
图1-24IGBT的开关(kāiguān)过程
关断延迟时间td(off)
电流下降时间tf
关断时间toff
电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。
tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程(guòchéng),iC下降较快。
tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程(guòchéng),iC下降较慢。
IGBT的关断过程
t
t
t
10%
90%
10%
90%
U
CE
I
C
0
O
0
U
GE
U
GEM
I
CM
U
CEM
t
fv1
t
fv2
t
off
t
on
t
fi1
t
fi2
t
d(off)
t
f
t
d(on)
t
r
U
CE(on)
U
GEM
U
GEM
I
CM
I
CM
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绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
3)IGBT的主要参数
——正常工作温度下允许(yǔnxǔ)的最大功耗。
(3)最大集电极功耗(ɡōnɡhào)PCM
——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。
(2) 最大集电极电流
——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。
(1)最大集射极间电压UCES
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绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
IGBT的特性和参数特点(tèdiǎn)可以总结如下:
开关速度高,开关损耗小。
相同电压和电流定额时,安全(ānquán)工作区比GTR大,且具有耐脉冲电流冲击能力。
通态压降比VDMOSFET低。
输入阻抗高,输入特性与MOSFET类似。
与MOSFET和GTR相比,耐压和通流能力还可以进一步提高,同时保持开关频率高的特点。
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绝缘(juéyuán)栅双极晶体管
擎住效应(xiàoyìng)或自锁效应(xiàoyìng):
IGBT往往与反并联的快速(kuàisù)二极管封装在一起,制成模块,成为逆导器件。
——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。
反向偏置安全工作区(RBSOA)
——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。
正偏安全工作区(FBSOA)
动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。
擎住效应曾限制IGBT电流容量提高,20世纪90年代中后期开始逐渐解决。
——NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻,P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降,相当于对J3结施加正偏压,一旦J3开通,栅极就会失去对集电极电流的控制作用,电流失控。
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