絕緣柵雙極晶體管ppt課件

1、2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT)GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1)

2、IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極三端器件：柵極G、集電極、集電極C和發(fā)射極和發(fā)射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極 柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。 簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR

3、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。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào) IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)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

4、晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RoN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)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。 IGBT的原理的原理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 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與與UGE間的關(guān)系間的關(guān)系(開啟開啟電壓電壓UGE(th)輸出特性輸出特

5、性分為三個(gè)區(qū)域：正分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。和飽和區(qū)。2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開關(guān)過程 IGBT的開通過程的開通過程 與與MOSFET的相似的相似 開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr 開通時(shí)間開通時(shí)間ton uCE的下降過程分為的下降過程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。 t f v 1 I G B

6、 T 中中MOSFET單獨(dú)工作的電單獨(dú)工作的電壓下降過程；壓下降過程； tfv2MOSFET和和PNP晶體管同時(shí)工作的晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。電壓下降過程。 (2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖1-24 IGBT的開關(guān)過程v 關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）v 電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間tfv 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toffv 電流下降時(shí)間又可分為電流下降時(shí)間又可分為tfi1和和tfi2兩段。兩段。v tfi1IGBT器件內(nèi)部的器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，的關(guān)斷過程，iC下降較快。下降較快。v tfi2IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNP晶晶體管的關(guān)斷

7、過程，體管的關(guān)斷過程，iC下降下降較慢。較慢。 IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES2.4 絕

8、緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：v 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 v 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。v 通態(tài)壓降比VDMOSFET低。v 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。v 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) 。 2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)： 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 。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

9、定。 反向偏置安全工作區(qū)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)正偏安全工作區(qū)FBSOA） 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。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(duì)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管4) IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。使使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20V。關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓一般取關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓一般取-5 -15V有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。2.4