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絕緣柵雙極型晶體管的原理,分類,優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)

信息來源:本站 日期:2017-07-10 

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IGBT

近年來,隨著雙極型晶體管模塊和MOSFET的出現(xiàn),節(jié)能、設(shè)備小型化、輕量化等要求的提高,電動(dòng)機(jī)可變驅(qū)動(dòng)裝置和電子計(jì)算機(jī)的備用電源裝置等使用交換原件的各種電力變換器也迅速發(fā)展起來。但是電力變換器方面的需求,并沒有通過雙極型晶體管模塊和MOSFET得到完全的滿足。雙極型功率晶體管模塊雖然可以得到高耐壓、大容量的元件,但是卻有交換速度不夠快的缺陷。而MOSFET雖然交換速度夠快了,但是存在著不能得到高耐壓、大容量等的缺陷。

絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)正是順應(yīng)這種要求而開發(fā)的,它是一種既有MOSFET的高速切換,又有雙極型晶體管的高耐壓、大電流處理能力的新型元件。


IGBT的基本知識(shí)

1.定義

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是由B.IT(雙極結(jié)型晶體管)和MOSFET(金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,它兼有MOSFET的高輸人阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR(電力晶體管,是一種雙極型大功率、高反壓晶體管,其功率非常大,因此又被稱為巨型晶體管,簡(jiǎn)稱CTR)的飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率很小,開關(guān)速度快,但導(dǎo)通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn),即驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。


2.IBGT的分類

按有無緩沖區(qū)分類

(1)非對(duì)稱型ICBT:有緩沖區(qū)N+,為穿通型IGBT;由于N+區(qū)存在,所以反向阻斷能力弱,但正向壓降低,關(guān)斷時(shí)間短,關(guān)斷時(shí)的尾部電流小。

(2)對(duì)稱型IGBT:無緩沖區(qū)N+,為非穿通型IGBT;具有正、反向阻斷能力,其他特性較非對(duì)稱型IGBT差。

按溝道類型分類

IBGT按溝道類型分為N溝道IGBT和P溝道IGBT。


3.主要性能指標(biāo)

1)通態(tài)電壓Uon

所謂通態(tài)電壓Uon,是指ⅡGBT進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降Uon,這個(gè)電壓隨UGS上升而下降。

2)開關(guān)損耗

IGBT的開關(guān)損耗包括關(guān)斷損耗和開通損耗。常溫下,IGBT的關(guān)斷損耗和MOSFET差不多。其開通損耗平均比MOSFET略小,且它與溫度關(guān)系不大,但每增加100℃,其值增加2倍。兩種器件的開關(guān)損耗和電流相關(guān),電流越大,損耗越大。

3)安全工作區(qū)的主要參數(shù)(PCM、IcM、UCEM、UGES)

(1)最大集電極功耗PCM:取決于允許結(jié)溫。

(2)最大集電極電流lCM:受元件擎住效應(yīng)限制。

(3)最大集電極-發(fā)射極電壓UCEM:由內(nèi)部PNP型晶體管的擊穿電壓確定。

(4)柵極-發(fā)射極額定電壓UCES:柵極控制信號(hào)的電壓額定值。


4.主要優(yōu)缺點(diǎn)

與MOSFET和BJT相比,IGBT的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:

(])它有一個(gè)非常低的通態(tài)壓降,且由于它具有優(yōu)異的電導(dǎo)調(diào)制能力和較大的通態(tài)電流密度,使得更小的芯片尺寸和更低的功耗成為可能;

(2) MOS柵結(jié)構(gòu)使得IGBT有較低的驅(qū)動(dòng)電壓,且只需要簡(jiǎn)單的外圍驅(qū)動(dòng)電路;與BJT和晶閘管相比較,它能更容易地使用在高電壓大電流的電路中;

(3)它有比較寬的安全操作區(qū),且它具有比雙極型晶體管更優(yōu)良的電流傳導(dǎo)能力,也有良好的正向和反向阻斷能力。

IGBT的主要缺點(diǎn)是:

(1)關(guān)閉速度優(yōu)于BJT但不如MOSFET由于少數(shù)載流子,產(chǎn)生的集電極電流拖尾,導(dǎo)致其關(guān)閉速度很慢;

(2)由于采用PNPN結(jié)構(gòu),所以很容易產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)。

IGBT適用于較大的阻斷電壓。在為了提高擊穿電壓而讓漂移區(qū)的電阻率和厚度增加時(shí),MOSFET的通態(tài)電阻將會(huì)顯著增大。正因?yàn)槿绱?,火電流、高阻斷電壓的功率MOSFET通常是很難發(fā)展的。相反,對(duì)于IGBT來說,其漂移區(qū)的電阻由于高濃度的少數(shù)載流子的注入而急劇下降,這樣IGBT的漂移區(qū)的正向壓降變得和IGBT本身的厚度相關(guān),但和原有的電阻率無關(guān)。


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