电力电子技术－IGBT.ppt

【IGBT技术详解】 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是电力电子技术中的一种重要功率半导体器件，它在中小功率电力电子设备中扮演着主导角色，成功地取代了门极可关断晶闸管（GTR）和部分金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。IGBT结合了GTR的高电流驱动能力和MOSFET的快速开关速度及高输入阻抗的优点。 **结构与工作原理** IGBT是一种三端器件，包括栅极（G）、集电极（C）和发射极（E）。其结构类似于MOSFET与GTR的复合，由一个MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管组成。在IGBT中，比MOSFET多出一层P+注入区，形成大面积的P-N结，从而提高了通流能力。其工作原理类似于MOSFET，通过栅射极电压uGE控制器件的导通与关断。当uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内部形成沟道，为晶体管提供基极电流，使IGBT导通；反之，若栅射极间施加反压或不加信号，MOSFET沟道消失，IGBT则关断。 **基本特性** IGBT的静态特性主要体现在输出特性（伏安特性）上，分为正向阻断区、有源区和饱和区。正向导通压降通常大于0.7V。动态特性关注开通时间ton、关断时间toff，以及开通延迟时间td(on)、电流上升时间tr、关断延迟时间td(off)、电流下降时间tf等。 **主要特点** 1. **开关速度快**：IGBT的开关速度介于GTR和MOSFET之间，导致的开关损耗较小。 2. **高电压器件的通态压降**：对于高压的IGBT，其通态压降与GTR相当，但低于MOSFET，因此在某些应用场景中可能不适用。 3. **高输入阻抗**：输入特性与MOSFET类似，输入阻抗较高，且对驱动电路的要求与MOSFET相似，但稍微低一些，因为IGBT的寄生电容较小，耐dU/dt能力强。 4. **擎住效应和安全工作区**：IGBT可能存在寄生晶闸管效应，可能导致擎住效应（自锁效应），需要考虑最大电压上升率duCE/dt的限制，以确保器件安全工作。 **主要参数** IGBT的主要参数包括： 1. **最大集射极间电压UCES**：由内部PNP晶体管的击穿电压决定。 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。 **对比MOSFET** 1. **结构**：MOSFET是单极型器件，而IGBT是双极型与单极型的复合。 2. **驱动方式**：MOSFET为电压驱动，IGBT也是，但IGBT需要通过MOSFET部分驱动内部的PNP晶体管。 3. **开关特性**：MOSFET开关速度快于IGBT，但IGBT的通态压降更低。 4. **输入阻抗**：两者都具有高输入阻抗，但IGBT的输入阻抗略低。 了解IGBT的工作原理、特点和主要参数对于设计和选择合适的功率转换系统至关重要。在实际应用中，必须充分考虑器件的安全工作区，避免擎住效应和过大的电压、电流波动，以保证系统的稳定性和可靠性。