第四讲 电力电子器件3.pptVIP

4.3 绝缘栅双极晶体管 电力MOSFET属于多子导电，无电导调制效应，当要提高阻断电压时，其导通电阻将迅速增加，以至于使功率管无法正常工作。所以，电力MOSFET在同样的管芯面积下，随着耐电压的提高，电流容量下降的很厉害。例如FQP85N06型MOSFET为60V85A(25°)，而同样尺寸的MOS管FQP5N90，电压为900V，而电流容量只有5A。为克服这个缺点，在电力MOSFET中的漏极侧引入一个PN结，在正常导通时，有效电阻成几十倍地降低，可大大提高电流密度，这样就产生了新的器件—IGBT。 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor—IGBT或IGT） ?GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性 ?1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件 ?继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位 4.3 IGBT的结构和工作原理 IGBT是三端器件：栅极G、集电极C和发射极E 图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1 ——使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力 E 4.3 IGBT的结构和工作原理 IGBT的原理 ? 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，IGBT导通 导通压降：电导调制效应使通态压降小 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断 4.3 IGBT的基本特性 1)?IGBT的静态特性 图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性 4.3 IGBT的基本特性 转移特性——IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似 开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25?C时，UGE(th)的值一般为2～6V 输出特性（伏安特性）——以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应 UCE0时，IGBT为反向阻断工作状态 4.3 IGBT的基本特性 2)???IGBT的动态特性 图1-24 IGBT的开关过程 IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通延迟时间td(on) ——从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的10％的时刻，到集电极电流ic上升至电流幅值ICM的10％的时刻止 ?????? 电流上升时间tri ——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间 电压下降时间（tfv1+tfv2） ——tfv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程,tfv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 开通时间ton——开通延迟时间td(on)、电流上升时间tri与电压下降时间（tfv1+tfv2）之和。 4.3 IGBT的基本特性 IGBT的关断过程 关断延迟时间td(off) ——从驱动电压uGE的脉冲下降到其幅值的90％的时刻起，到集射电压uCE上升到其幅值的10% 电压上升时间trv ——这段时间内栅极-集电极寄生电容CGC放电，栅极电压uGE基本维持在一个电压水平上 电流下降时间tfi ——集电极电流从90％ICM下降至10％ICM,电流下降时间分为tfi1和tfi2两段，其中tfi1对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，这段时间集电极电流Ic下降较快；tfi2对应IGBT内部的PNP晶体管的关断过程 关断时间toff——关断延迟时间与电流下降之和 4.3 IGBT的基本特性 IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数 4.3 IGBT的主要参数 1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2)? 最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 3)最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗 4.3