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絕緣柵雙極晶體管原理、特點及參數

2016-08-17
關鍵詞: ADI FPGA DSP

        絕緣柵雙極晶體管原理、特點及參數

        絕緣柵雙極晶體管IGBT又叫絕緣柵雙極型晶體管。

一.絕緣柵雙極晶體管的工作原理:
        半導體結構分析略。本講義附加了相關資料,供感興趣的同事可以查閱。
該器件符號如下:

AG3P57{AM2GI5Z42A%O$0DU.png

N溝道         P溝道
圖1-8:IGBT的圖形符號

        注意,它的三個電極分別為門極G、集電極C、發射極E。

WG1`S{ZVP``BN0IL15L1Y%N.png

圖1-9:IGBT的等效電路圖。

        上面給出了該器件的等效電路圖。實際上,它相當于把MOS管和達林頓晶體管做到了一起。因而同時具備了MOS管、GTR的優點。

二.絕緣柵雙極晶體管的特點:
        這種器件的特點是集MOSFET與GTR的優點于一身。輸入阻抗高,速度快,熱穩定性好。通態電壓低,耐壓高,電流大。
        它的電流密度比MOSFET大,芯片面積只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。
        大功率IGBT模塊達到1200-1800A/1800-3300V的水平(參考)。速度在中等電壓區域(370-600V),可達到150-180KHz。

三.絕緣柵雙極晶體管的參數與特性:
  (1)轉移特性

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圖1-10:IGBT的轉移特性


        這個特性和MOSFET極其類似,反映了管子的控制能力。
  (2)輸出特性

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圖1-11:IGBT的輸出特性


        它的三個區分別為:
        靠近橫軸:正向阻斷區,管子處于截止狀態。
        爬坡區:飽和區,隨著負載電流Ic變化,UCE基本不變,即所謂飽和狀態。
        水平段:有源區。
  (3)通態電壓Von:

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圖1-12:IGBT通態電壓和MOSFET比較


        所謂通態電壓,是指IGBT進入導通狀態的管壓降VDS,這個電壓隨VGS上升而下降。
        由上圖可以看到,IGBT通態電壓在電流比較大時,Von要小于MOSFET。
        MOSFET的Von為正溫度系數,IGBT小電流為負溫度系數,大電流范圍內為正溫度系數。
(4)開關損耗:
      常溫下,IGBT和MOSFET的關斷損耗差不多。MOSFET開關損耗與溫度關系不大,但IGBT每增加100度,損耗增加2倍。
      開通損耗IGBT平均比MOSFET略小,而且二者都對溫度比較敏感,且呈正溫度系數。
      兩種器件的開關損耗和電流相關,電流越大,損耗越高。
(5)安全工作區與主要參數ICM、UCEM、PCM:
        IGBT的安全工作區是由電流ICM、電壓UCEM、功耗PCM包圍的區域。

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圖1-13:IGBT的功耗特性


        最大集射極間電壓UCEM:取決于反向擊穿電壓的大小。
        最大集電極功耗PCM:取決于允許結溫。
        最大集電極電流ICM:則受元件擎住效應限制。
        所謂擎住效應問題:由于IGBT存在一個寄生的晶體管,當IC大到一定程度,寄生晶體管導通,柵極失去控制作用。此時,漏電流增大,造成功耗急劇增加,器件損壞。
        安全工作區隨著開關速度增加將減小。
  (6)柵極偏置電壓與電阻
        IGBT特性主要受柵極偏置控制,而且受浪涌電壓影響。其di/dt明顯和柵極偏置電壓、電阻Rg相關,電壓越高,di/dt越大,電阻越大,di/dt越小。
而且,柵極電壓和短路損壞時間關系也很大,柵極偏置電壓越高,短路損壞時間越短。


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