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绝缘栅双极型晶体管的原理,分类,优势与缺点

信息来源:本站 日期:2017-07-10 

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IGBT

   近年来,随着双极型晶体管模块和MOSFET的出现,节能、设备小型化、轻量化等要求的提高,电动机可变驱动装置和电子计算机的备用电源装置等使用交换原件的各种电力变换器也迅速发展起来。但是电力变换器方面的需求,并没有通过双极型晶体管模块和MOSFET得到完全的满足。双极型功率晶体管模块虽然可以得到高耐压、大容量的元件,但是却有交换速度不够快的缺陷。而MOSFET虽然交换速度够快了,但是存在着不能得到高耐压、大容量等的缺陷。

  绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)正是顺应这种要求而开发的,它是一种既有MOSFET的高速切换,又有双极型晶体管的高耐压、大电流处理能力的新型元件。


IGBT的基本知识

1.定义

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是由B.IT(双极结型晶体管)和MOSFET(金属—氧化物—半导体场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,它兼有MOSFET的高输人阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR(电力晶体管,是一种双极型大功率、高反压晶体管,其功率非常大,因此又被称为巨型晶体管,简称CTR)的饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET的驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,即驱动功率小而饱和压降低。


2.IBGT的分类

按有无缓冲区分类

   (1)非对称型ICBT:有缓冲区N+,为穿通型IGBT;由于N+区存在,所以反向阻断能力弱,但正向压降低,关断时间短,关断时的尾部电流小。

   (2)对称型IGBT:无缓冲区N+,为非穿通型IGBT;具有正、反向阻断能力,其他特性较非对称型IGBT差。

按沟道类型分类

IBGT按沟道类型分为N沟道IGBT和P沟道IGBT。


3.主要性能指标

1)通态电压Uon

所谓通态电压Uon,是指ⅡGBT进入导通状态的管压降Uon,这个电压随UGS上升而下降。

2)开关损耗

IGBT的开关损耗包括关断损耗和开通损耗。常温下,IGBT的关断损耗和MOSFET差不多。其开通损耗平均比MOSFET略小,且它与温度关系不大,但每增加100℃,其值增加2倍。两种器件的开关损耗和电流相关,电流越大,损耗越大。

   3)安全工作区的主要参数(PCM、IcM、UCEM、UGES)

   (1)最大集电极功耗PCM:取决于允许结温。

   (2)最大集电极电流lCM:受元件擎住效应限制。

   (3)最大集电极-发射极电压UCEM:由内部PNP型晶体管的击穿电压确定。

   (4)栅极-发射极额定电压UCES:栅极控制信号的电压额定值。


 4.主要优缺点

 与MOSFET和BJT相比,IGBT的主要优势体现在:

 (])它有一个非常低的通态压降,且由于它具有优异的电导调制能力和较大的通态电流密度,使得更小的芯片尺寸和更低的功耗成为可能;

   (2) MOS栅结构使得IGBT有较低的驱动电压,且只需要简单的外围驱动电路;与BJT和晶闸管相比较,它能更容易地使用在高电压大电流的电路中;

   (3)它有比较宽的安全操作区,且它具有比双极型晶体管更优良的电流传导能力,也有良好的正向和反向阻断能力。

   IGBT的主要缺点是:

   (1)关闭速度优于BJT但不如MOSFET由于少数载流子,产生的集电极电流拖尾,导致其关闭速度很慢;

   (2)由于采用PNPN结构,所以很容易产生闩锁效应。

   IGBT适用于较大的阻断电压。在为了提高击穿电压而让漂移区的电阻率和厚度增加时,MOSFET的通态电阻将会显著增大。正因为如此,火电流、高阻断电压的功率MOSFET通常是很难发展的。相反,对于IGBT来说,其漂移区的电阻由于高浓度的少数载流子的注入而急剧下降,这样IGBT的漂移区的正向压降变得和IGBT本身的厚度相关,但和原有的电阻率无关。