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绝缘栅双极型晶体管:功能特性及应用探析

【摘要】:绝缘栅双极晶体管是MOSFET与GTR的复合器件。显然IGBT是一个MOSFET与一个GTR的复合管,其结果成为一个控制极为绝缘栅极的双极型晶体管。图3-44 绝缘栅双极型晶体管结构及工作原理a)绝缘栅双极型晶体管内部结构 b)等效电路 c)绝缘栅双极型晶体管符号2.IGBT的工作原理IGBT是以GTR为主导半导体器件、以MOSFET为驱动的达林顿结构器件。

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)是MOSFET与GTR的复合器件。它既有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点,又有GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点,是取代G TR的理想开关器件。近年来IGBT发展很快,目前已经被广泛地应用于各种弧焊电源逆变器中。

1.IGBT的结构

IGBT的外形有塑料封装和模块式两种基本形式,其外形与功率双极型晶体管相似。IGBT有集电极C、发射极E和栅极G。IGBT的内部结构、等效电路和图形符号如图3-44所示。

由图3-44a可知,IGBT基本上是在MOSFET的漏极下又加了一层“P”区,多了一个PN结,从而使其等效电路变成了图3-44b的形式。显然IGBT是一个MOSFET与一个GTR的复合管,其结果成为一个控制极为绝缘栅极的双极型晶体管(见图3-44c)。

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图3-44 绝缘栅双极型晶体管结构及工作原理

a)绝缘栅双极型晶体管内部结构 b)等效电路 c)绝缘栅双极型晶体管符号

2.IGBT的工作原理

IGBT是以GTR为主导半导体器件、以MOSFET为驱动的达林顿结构器件。根据GTR和MOSFET的工作原理,就不难理解IGBT的工作过程。

IGBT的开通和关断是由栅极电压UGE来控制的。栅极施以正电压时,MOSFET内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,使IGBT导通。在栅极上施以负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。

由于IGBT的驱动方法与MOSFET基本相同,只需控制输入极N沟道MOSFET,因而它具有高输入阻抗特性。

3.IGBT的基本特性

IGBT的基本特性也分为静特性和动特性两部分。静特性包括输出伏安特性、转移特性和静态开关特性;动特性主要是指开关特性。

(1)静特性 IGBT的静态输出伏安特性、转移特性和静态开关特性如图3-45所示。

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图3-45 绝缘栅双极型晶体管的特性

a)绝缘栅双极型晶体管伏安特性 b)绝缘栅双极型晶体管转移特性 c)绝缘栅双极型晶体管开关特性

1)IGBT的输出伏安特性是指其输出电流IC、集—射极电压UCE和栅极电压UGE之间的关系。由图3-45a可知,这个特性曲线分为四个区:

Ⅰ区为截止区,也叫阻断区。这时UGE≈0或UGEUGE(Th),电流iD很小,它只是CE间的漏电流ICEO,即UGE≈0时的集射电流。

Ⅱ区为线性放大区。与VMOSFET类似,iDUGE呈线性关系,即

iD=gm·UGE

式中 gm——IGBT的跨导,代表其放大能力。

由于IGBT在逆变弧焊电源中,工作在开或关的状态,所以要求越过这个区的时间越短越好,尽量不停留在放大区,从而减小损耗,因而gm参数不太重要。

Ⅲ区叫作饱和区。在这个区,电流iDUGE不再呈线性关系。此状态下UDS就是IGBT的饱和压降,用UCES表示。IGBT的UCES一般为2~4V。

Ⅳ为击穿区。CE之间的电压UCE高到击穿电压BUCE后,即使UGE不变,iD也会增加,这就是过压击穿,应用时要防止出现这种现象。

2)IGBT的转移特性即iDUGE的关系特性曲线,见图3-45b。当UGE很小时,iD≈0,UGE升到UGE(Th)时,iD开始明显升高。UGE进一步增加时,iD呈线性增长,进入线性放大区。UGE(Th)被称为IGBT的门极开启电压,一般为3~6V。

3)IGBT的静态开关特性示意见图3-45c。在逆变弧焊电源中,每一个时刻的IGBT要么工作在截止状态,要么工作在饱和导通状态。

(2)动特性 IGBT的动特性是指其在开通和关断过程中集电极电流iD和端电压UCE的变化曲线,也叫作开关特性曲线。和MOSFET一样,IGBT的开关特性曲线也和负载的性质有关,其开关特性可以参考相关的书籍。

4.IGBT的主要参数

IGBT的主要参数有最高集射电压(额定电压)、门射电压、开启电压、漏电流、集电极电流、最大功耗、额定结温、饱和压降、开关时间、栅电容、热阻等。开启电压、漏电流、饱和压降和开关时间在前面都已经介绍过,下面介绍其他参数。

(1)额定电压 IGBT的额定电压就是其允许的最高集射电压,用UCER表示(有时也用UCES表示),也称为IGBT的耐压。一般地,IGBT的UCER=(0.6~0.8)BUCEBUCE为集射击穿电压)。

(2)饱和压降 IGBT的饱和压降也叫通态压降,是指IGBT处于饱和导通状态的UCE,用UCESat表示。IGBT的UCESat与GTR类似,一般在2~4V范围内。

(3)额定电流ICE和峰值电流ICM IGBT导通时,集电极允许通过的最大电流有效值称为IGBT的额定电流,用ICE表示;而允许通过的集电极电流最大值叫作IGBT的峰值电流,用ICM表示。IGBT的ICM与峰值脉冲电流的宽度有很大关系。

(4)栅电容CiCE 门极和发射极之间的输入等效电容称为IGBT的栅电容,用CiCE表示;有时也称为IGBT的输入电容,用CiSS表示。IGBT的CiCE越小越好,CiCE小可以使开关速度快些。不同规格、不同厂家的IGBT的CiCECiSS也不相同,一般来说,CiSS=3000~30000pF。

(5)dU/dt 与VMOSFET一样,由于IGBT各极之间都存在等效电容,因而,CE之间所能承受的电压上升率dU/dt也不能过大。但是,因为IGBT的输入电容CiSS比较大,dU/dt产生的能量使得IGBT误导通所需要的位移电流也比较大,所以IGBT能承受的dU/dt值也比较大,具体限制可以参考产品参数表。

(6)额定结温、最大功耗和热阻 IGBT的额定结温Tj因封装形式不同而不同。一般塑封单管的Tj为125℃,而模块化封装的IGBT额定结温Tj为150℃。

在室温(25℃)下,每个IGBT开关管最大允许的耗散功率,称为IGBT的最大功耗,用PCM表示,它是由管子的额定结温和热阻决定的。在实际应用电路中,要保证实际功耗不能大于这个值。