《电力电子应用技术》课程电子教案（PPT教学课件）第四章 全控电力电子器件 4.4 绝缘栅双极晶体管

44绝缘栅双极晶体管 GTR和GTO的特点——双极型,电流驱动,有电导调制效应,通流 能力很强,开关速度较低,所需驱动功率大,驱动电路复杂 MOSFET的优点——单极型,电压驱动,开关速度快,输入阻抗高, 热稳定性好,所需驱动功率小而且驱动电路简单 两类器件取长补短结合而成的复合器件 bi-Mos器件 绝缘栅双极晶体管( Insulated- gate Bipolar transistor- IGBT或IGT) GTR和 MOSFET复合,结合二者的优点,具有良好的特性 1986年投入市场后,取代了GTR和一部分 MOSFET的市场,中小功 率电力电子设备的主导器件 继续提高电压和电流容量,以期再取代GTO的地位

4.4 绝缘栅双极晶体管 GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流 能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂 MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高， 热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单 两类器件取长补短结合而成的复合器件——Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor— —IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特性 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，中小功 率电力电子设备的主导器件 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位

4.4.1.IGBT的结构和工作原理 三端器件:栅极G、集电极C和发射极E 发射极栅极 I RNI 移区 缓冲区G。4 集电极 a) c) 图4-19IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号 IGBT的结构 图1-22aN沟道 VDMOSFET与GTR组合—N沟道IGBT(N-IGBT) IGBT比 VDMOSFET多一层P注入区,形成了一个大面积的PN结J1 使IGBT导通时由P注入区向N基区发射少子,从而对漂移区电导率进行 调制,使得IGBT具有很强的通流能力 简化等效电路表明,IGBT是GTR与 MOSFET组成的达林顿结构,一个由 MOSFET 驱动的厚基区PNP晶体管 R为晶体管基区内的调制电阻

4.4.1. IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E 图4-19 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号 IGBT的结构 图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一层P +注入区，形成了一个大面积的P +N结J1 ——使IGBT导通时由P +注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行 调制，使得IGBT具有很强的通流能力 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET 驱动的厚基区PNP晶体管 RN为晶体管基区内的调制电阻 E G C N+ N- a) P N+ N+ P N+ N+ P + 发射极 栅极 集电极 注入区 缓冲区 J 3 J 2 漂移区 J 1 G E C + - - + + - ID RN IC VJ 1 ID Ro n b) G C c)

IGBT的原理 驱动原理与电力 MOSFET基本相同,场控器件,通断由 栅射极电压l决定 导通:,lt大于开启电压cab时, MOSFET内形成沟道, 为晶体管提供基极电流,IGBT导通 导通压降:电导调制效应使电阻R减小,使通态压降 关断:栅射极间施加反压或不加信号时, MOSFET内的 沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断

IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由 栅射极电压uGE决定 导通：，uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道， 为晶体管提供基极电流，IGBT导通 导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降 小 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的 沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断

4.4.2.IGBT的基本特性与参数 1.IGBT的基本特性 有源区 1)IGBT的静态特性 Ua增加 Uax反向阻断区 图4-20IGBT的转移特性和输出特性 a)转移特性b)输出特性 转移特性——与l间的关系,与 MOSFET转移特性类似 开启电压( (th)--IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 lE(b随温度升高而略有下降,在+25°C时,lE(b的值一般为26V 输出特性(伏安特性)—以l为参考变量时,C与l间的关系 分为三个区域:正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和 区相对应cE<0时,IGBT为反向阻断工作状态

4.4.2. IGBT的基本特性与参数 1. IGBT的基本特性 1) IGBT的静态特性 图4-20 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性 转移特性——IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似 开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为2~6V 输出特性（伏安特性）——以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和 区相对应uCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态 O 有源区 正向阻断区 饱 和 区 反向阻断区 a) b) IC UGE(th) UGE O IC UR M UFM UC E UGE(th) UGE增加

2)IGBT的动态特性 制t U 图421IGBT的开关过程 IGBT的开通过程 与 MOSFET的相似,因为开通过程中IGBT在大部分时间作为 MOSFET运行 开通延迟时间t(om)—从lE上升至其幅值10%的时刻,到i上升至10% 电流上升时间t—1c从10%c上升至90%所需时间 开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和 eE的下降过程分为t1和t2两段。t11IGBT中 MOSFET单独工作的电压下降过 程;t2M0SFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程

2) IGBT的动态特性 图4-21 IGBT的开关过程 IGBT的开通过程 与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通延迟时间td(on) ——从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM 电流上升时间tr ——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间 开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和 uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过 程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 t t t 10% 90% 10% 90% UCE IC 0 O 0 UGE UGEM ICM UCEM t fv1 t fv2 t off t o n t fi1 t fi2 t d(off) t f t d(on) t r UCE(on)

IGBT的关断过程 关断延迟时间t(ar—从后沿下降到其幅值9O%的时刻 起,到i下降至90% 电流下降时间—元从90%下降至10%M 关断时间t关断延迟时间与电流下降时间之和 电流下降时间又可分为t1和t12两段。t1IGBT内部的 MOSFET的关断过程,i下降较快; t:-IGBT内部的PNP晶体管 的关断过程,ic下降较慢 IGBT中双极型PNP晶体管的存在,虽然带来了电导调制效应 的好处,但也引入了少子储存现象,因而IGBT的开关速度低于电 力 MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数

IGBT的关断过程 关断延迟时间td(off) ——从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻 起，到iC下降至90%ICM 电流下降时间——iC从90%ICM下降至10%ICM 关断时间toff——关断延迟时间与电流下降时间之和 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部的 MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管 的关断过程，iC下降较慢 IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应 的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电 力MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数

2.IGBT的主要参数 1)最大集射极间电压ls由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2)最大集电极电流包括额定直流电流(和1ms脉宽最大电流lp 3)最大集电极功耗P正常工作温度下允许的最大功耗 3.IGBT的擎住效应和安全工作区 寄生晶闸管由一个NPN晶体管和作为主开关器件的PNP晶体管组成 擎住效应或自锁效应:NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻,P形 体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降,相当于对J3结施加正偏压,一旦J3开 通,栅极就会失去对集电极电流的控制作用,电流失控 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小 正偏安全工作区(FBS0A)——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集 电极功耗确定 反向偏置安全工作区( RBSOA)—最大集电极电流、最大集射极间电压和最 大允许电压上升率du/dt确定 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高,20世纪90年代中后期开始逐渐解决 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起,制成模块,成为逆导器件

2. IGBT的主要参数 1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 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 3. IGBT的擎住效应和安全工作区 寄生晶闸管——由一个N -PN+晶体管和作为主开关器件的P +N -P晶体管组成 擎住效应或自锁效应：NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形 体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开 通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小 正偏安全工作区（FBSOA）——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集 电极功耗确定 反向偏置安全工作区（RBSOA）——最大集电极电流、最大集射极间电压和最 大允许电压上升率duCE/dt确定 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件