绝缘栅双极晶体管原理、特点及参数
绝缘栅双极晶体管IGBT又叫绝缘栅双极型晶体管。
一.绝缘栅双极晶体管的工作原理: 半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料,供感兴趣的同事可以查阅。 该器件符号如下:
N沟道 P沟道 图1-8:IGBT的图形符号 注意,它的三个电极分别为门极G、集电极C、发射极E。
图1-9:IGBT的等效电路图。 上面给出了该器件的等效电路图。实际上,它相当于把MOS管和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了MOS管、GTR的优点。
二.绝缘栅双极晶体管的特点: 这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高,速度快,热稳定性好。通态电压低,耐压高,电流大。 它的电流密度比MOSFET大,芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。 大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平(参考)。速度在中等电压区域(370-600V),可达到150-180KHz。
三.绝缘栅双极晶体管的参数与特性: (1)转移特性
图1-10:IGBT的转移特性 这个特性和MOSFET极其类似,反映了管子的控制能力。 (2)输出特性
图1-11:IGBT的输出特性 它的三个区分别为: 靠近横轴:正向阻断区,管子处于截止状态。 爬坡区:饱和区,随着负载电流Ic变化,UCE基本不变,即所谓饱和状态。 水平段:有源区。 (3)通态电压Von:
图1-12:IGBT通态电压和MOSFET比较 所谓通态电压,是指IGBT进入导通状态的管压降VDS,这个电压随VGS上升而下降。 由上图可以看到,IGBT通态电压在电流比较大时,Von要小于MOSFET。 MOSFET的Von为正温度系数,IGBT小电流为负温度系数,大电流范围内为正温度系数。 (4)开关损耗: 常温下,IGBT和MOSFET的关断损耗差不多。MOSFET开关损耗与温度关系不大,但IGBT每增加100度,损耗增加2倍。 开通损耗IGBT平均比MOSFET略小,而且二者都对温度比较敏感,且呈正温度系数。 两种器件的开关损耗和电流相关,电流越大,损耗越高。 (5)安全工作区与主要参数ICM、UCEM、PCM: IGBT的安全工作区是由电流ICM、电压UCEM、功耗PCM包围的区域。
图1-13:IGBT的功耗特性 最大集射极间电压UCEM:取决于反向击穿电压的大小。 最大集电极功耗PCM:取决于允许结温。 最大集电极电流ICM:则受元件擎住效应限制。 所谓擎住效应问题:由于IGBT存在一个寄生的晶体管,当IC大到一定程度,寄生晶体管导通,栅极失去控制作用。此时,漏电流增大,造成功耗急剧增加,器件损坏。 安全工作区随着开关速度增加将减小。 (6)栅极偏置电压与电阻 IGBT特性主要受栅极偏置控制,而且受浪涌电压影响。其di/dt明显和栅极偏置电压、电阻Rg相关,电压越高,di/dt越大,电阻越大,di/dt越小。 而且,栅极电压和短路损坏时间关系也很大,栅极偏置电压越高,短路损坏时间越短。 |