絕緣柵雙極晶體管原理、特點及參數(shù)

        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(dǎo)體結(jié)構(gòu)分析略。本講義附加了相關(guān)資料，供感興趣的同事可以查閱。
該器件符號如下：

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(fā)射極E。

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(dāng)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(yōu)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(yōu)點于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好。通態(tài)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(qū)域（370-600V），可達到150-180KHz。

三．絕緣柵雙極晶體管的參數(shù)與特性：
  （1）轉(zhuǎn)移特性

圖1-10：IGBT的轉(zhuǎn)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

圖1-11：IGBT的輸出特性

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

圖1-12：IGBT通態(tài)電壓和MOSFET比較

        所謂通態(tài)電壓，是指IGBT進入導(dǎo)通狀態(tài)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(tài)電壓在電流比較大時，Von要小于MOSFET。
        MOSFET的Von為正溫度系數(shù)，IGBT小電流為負(fù)溫度系數(shù)，大電流范圍內(nèi)為正溫度系數(shù)。
（4）開關(guān)損耗：
      常溫下，IGBT和MOSFET的關(guān)斷損耗差不多。MOSFET開關(guān)損耗與溫度關(guān)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(shù)。
      兩種器件的開關(guān)損耗和電流相關(guān)，電流越大，損耗越高。
（5）安全工作區(qū)與主要參數(shù)ICM、UCEM、PCM：
        IGBT的安全工作區(qū)是由電流ICM、電壓UCEM、功耗PCM包圍的區(qū)域。

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(jié)溫。
        最大集電極電流ICM：則受元件擎住效應(yīng)限制。
        所謂擎住效應(yīng)問題：由于IGBT存在一個寄生的晶體管，當(dāng)IC大到一定程度，寄生晶體管導(dǎo)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(qū)隨著開關(guān)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(guān)，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(guān)系也很大，柵極偏置電壓越高，短路損壞時間越短。