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绝缘栅双极型晶体管
阅读:136时间:2020-10-10 17:42:19

    绝缘栅双极型晶体管是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,它融合了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

IGBT原理及等效电路

IGBT管的开通和关断是由栅极电压来控制的,IGBT管的等效电路如图1所示。由图1可知,当栅极加正电压时.MOSFET内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT管导通,此时高耐压的IGBT管也具有低的导通态压降。在栅极上加负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT管即关断。IGBT管与M()SFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极、发射极间施加十几伏的直流电压.只有微安级的漏电流,基本上不消耗功率,显示了输入阻抗大的优点。IGBT的电路符号仍然没有统一的画法,图1(a)和图1(b)为IGBT管最常见的电路符号。
若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若1GBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOS截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极一发射极间施加十几伏的直流电压,只有μA级的漏电流流过,基本上不消耗功率。

IGBT的擎住效应

以N型IGBT管为例研究其安全工作区,画出其内部结构与等效电路如图2所示。
1)结构特点
(1)寄生晶闸管:由一个N PN 晶体管和作为主开关器件的N PN 晶体管组成。
(2)正偏安全工作区(FBSOA):最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。
(3)反向偏置安全工作区(RBSOA):最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率确定。
(4)擎住效应或自锁效应:沟道电阻上产生的压降.相当于对J结施加正偏压。一旦J开通,栅极就会失去对集电极电流的控制作用。电流失控,动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高,20世纪90年代中后期逐渐解决,即将IGBT与反并联的快速二极管封装在一起,制成模块,成为逆导器件。
2)使用注意事项
IGBT管的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄,IGBT管的U的耐压值为20V,在IGBT管加超出耐压值的电压时,会导致损坏的危险。此外,在栅极一发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高。集电极则有电流流过,这时,如果集电极与发射极间存在高电压,则有可能使IGBT管发热乃至损坏。

主要参数

(1)最大集射极间电压
该参数决定了器件的最高工作电压,这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的。
(2)最大集电极电流
最大集电极电流包括在一定的壳温下额定直流电流和脉宽最大电流。不同厂商产品的标称电流通常为壳温25℃或80℃条件下的额定直流电流。该参数与IGBT的壳温密切相关,而且由于器件实际工作时的壳温一般都较高,所以选用时必须加以重视。
(3)最大集电极功耗
在一定的壳温下IGBT允许的最大功耗,该功耗将随壳温升高而下降。
(4)集射饱和压降
栅射间施加一定电压,在一定的结温及集电极电流条件下,集射间饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时呈负温度系数,在电流较大时为正温度系数,这一特性使IGBT并联运行也较为容易。
(5)栅射电压
与MOSFET相似,当U>20V将导致绝缘层击穿。因此在焊接、驱动等方面必须注意。

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