第4章全控型电力电子器件祥解.ppt

4.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。是由P-MOSFET与双极晶体管混合组成的、电压控制的双极型自关断器件。它将P-MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有P-MOSFET输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿和驱动电路简单的长处，又有GTR通态压降低、耐压高和承受电流大的优点。IGBT的发展方向有两个：一是追求更低损耗和更高速度；二是追求更大容量。 4.4.1 IGBT的结构和工作原理 1、IGBT的基本结构 IGBT是在P-MOSFET基础上发展起来的多元集成新型器件，其结构是以GTR为主导元件，P-MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其结构、电路符号、等效电路如下图所示。外部有三个电极，分别为G门极、C集电极、E发射极。等效电路中RN则是沟边体区等效电阻。 IGBT的结构、符号及等效电路 2、IGBT的工作原理 当IGBT门极加上正电压时，MOSFET内形成沟道，使IGBT导通；当IGBT门极加上负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT关断。 当UCE＜0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。 当UCE＞0时，分两种情况： （1）若门极电压UGE＜UT（开启电压），沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。 （2）若门极电压UGEUT ，门极下的沟道形成，从而使IGBT导通。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使得IGBT也具有很低的通态压降。 4.4.2 IGBT的特性与参数 1、静态特性 IGBT的静态特性主要有输出（伏安）特性及转移特性，如下图所示。 （1）IGBT的输出（伏安）特性 是以栅射电压UGE为参变量，集电极电流IC和集射电压UCE间的关系曲线。IGBT的输出特性也分为饱和区、放大区和击穿区三个部分。在正向导通的大部分区域内，IC与UCE呈线性关系，此时IGBT工作于放大区内。对应着输出特性的弯曲部分，IC与UCE呈非线性关系，此时IGBT工作于饱和区。开关器件IGBT常工作于饱和状态和阻断状态，若IGBT工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。 IGBT的输出（伏安）特性和转移特性 （2）IGBT的转移特性 是指输出集电极电流IC与栅射控制电压UGE之间的关系曲线。当栅射电压UGE＜UT时，IGBT处于关断状态。当UGE＞UT时，IGBT导通。IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。 2、IGBT动态特性 IGBT的动态特性包括开通和关断过程两方面，如下图示。 IGBT的开通过程是从正向阻断状态到正向导通的过程。在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的。td为开通延迟时间，tr为电流上升时间，开通时间为：ton=td+tr。 而集射电压UCE下降分为tfu1和tfu2两段。 tfu1段为MOSFET单独工作时的电压下降时间； tfu2为MOSFET和PNP管两个器件同时工作，PNP管从放大进入饱和时的电压下降时间。IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程，关断时间为：toff=ts+tf 式中ts——关断储存时间； tf——电流下降时间。又可分为tf1和tf2两段， tf1对应MOSFET的关断过程； tf2对应于PNP晶体管的关断过程。 IGBT动态特性 3、IGBT的主要参数 （1）集射极额定电压UCES 栅射极短路时的IGBT最大耐压值。 （2）栅射极额定电压UGES UGES是栅极的电压控制信号额定值。只有栅射极电压小于额定电压值，才能使IGBT导通而不致损坏。 （3）栅射极开启电压UT 使IGBT导通所需的最小栅-射极电压。 （4）集电极额定电流IC 在额定的测试温度(壳温为25℃)条件下，IGBT所允许的集电极最大连续电流 （5）通态压降UCE(on) 指IGBT处于导通状态时集射极间的导通压降。 4.4.3 IGBT的擎住效应与安全工作区 1、IGBT的擎住效应 IGBT为四层结构，存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电阻， P型体区的横向空穴流过此电阻会产生一定压降，对J3结相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不会使NPN晶体管导通；当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是栅极失去控制作用，这就是擎住效应。 2、安全工作区 IGBT开通时的正向偏置安全工作区由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大集电极电流ICM是根据避免动态擎住而确定的，最大