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IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件,其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP晶體管,因此,可以把其看作是MOS輸入的達(dá)林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn),既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和快速的優(yōu)點(diǎn),又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點(diǎn),因而,在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
IGBT的工作原理
IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知,若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓,則MOSFET導(dǎo)通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOSFET截止,切斷PNP晶體管基極電流的供給,使得晶體管截止。
由此可知,IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定:
——IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓;
——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓;
——流過(guò)IGBT集電極-發(fā)射極的電流;
——IGBT的結(jié)溫。
如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,如果過(guò)高超過(guò)柵極-發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過(guò)集電極-發(fā)射極之間的耐壓,流過(guò)IGBT集電極-發(fā)射極的電流超過(guò)集電極-發(fā)射極允許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過(guò)其結(jié)溫的允許值,IGBT都可能會(huì)永久性損壞。
IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道,給 PNP 晶體管提供基極電流,使 IGBT 導(dǎo)通。反之,加反向門(mén)極電壓消除溝道,流過(guò)反向基極電流,使 IGBT 關(guān)斷。
IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFET 基本相同,只需控制輸入極 N 一溝道 MOSFET ,所以具有高輸入阻抗特性。
當(dāng) MOSFET 的溝道形成后,從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴(少子),對(duì) N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制,減小 N 一層的電阻,使 IGBT 在高電壓時(shí),也具有低的通態(tài)電壓。
IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi):
靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。
IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時(shí),漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 Ugs 的控 制,Ugs 越高, Id 越大。它與 GTR 的輸出特性相似.也可分為飽和區(qū) 1 、放大區(qū) 2 和擊穿特性 3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的 IGBT ,正向電壓由 J2 結(jié)承擔(dān),反向電壓由 J1 結(jié)承擔(dān)。如果無(wú) N+ 緩沖區(qū),則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平,加入 N+ 緩沖區(qū)后,反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平,因此限制了 IGBT 的某些應(yīng)用范圍。
IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同,當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓 Ugs(th) 時(shí),IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在 IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi), Id 與 Ugs 呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制,其最佳值一般取為 15V 左右。
IGBT 的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。 IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí),由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管,所以其 B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu),但流過(guò) MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。此時(shí),通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh ( 2 - 14 )式中 Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓,其值為 0.7 ~ IV ;Udr ——擴(kuò)展電阻 Rdr 上的壓降;Roh ——溝道電阻。
通態(tài)電流 Ids 可用下式表示:
Ids=(1+Bpnp)Imos (2 - 15 )式中 Imos ——流過(guò) MOSFET 的電流。
由于 N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),所以 IGBT 的通態(tài)壓降小,耐壓1000V 的IGBT 通態(tài)壓降為 2 ~ 3V 。
IGBT 處于斷態(tài)時(shí),只有很小的泄漏電流存在。