絕緣柵雙極型晶體管的原理，分類，優(yōu)勢與缺點
信息來源：本站 日期：2017-07-10
IGBT
近年來，隨著雙極型晶體管模塊和MOSFET的出現(xiàn)，節(jié)能、設(shè)備小型化、輕量化等要求的提高，電動機可變驅(qū)動裝置和電子計算機的備用電源裝置等使用交換原件的各種電力變換器也迅速發(fā)展起來。但是電力變換器方面的需求，并沒有通過雙極型晶體管模塊和MOSFET得到完全的滿足。雙極型功率晶體管模塊雖然可以得到高耐壓、大容量的元件，但是卻有交換速度不夠快的缺陷。而MOSFET雖然交換速度夠快了，但是存在著不能得到高耐壓、大容量等的缺陷。
絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)正是順應(yīng)這種要求而開發(fā)的，它是一種既有MOSFET的高速切換，又有雙極型晶體管的高耐壓、大電流處理能力的新型元件。
IGBT的基本知識
1．定義
IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由B.IT（雙極結(jié)型晶體管）和MOSFET（金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，它兼有MOSFET的高輸人阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR（電力晶體管，是一種雙極型大功率、高反壓晶體管，其功率非常大，因此又被稱為巨型晶體管，簡稱CTR）的飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET的驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，即驅(qū)動功率小而飽和壓降低。
2.IBGT的分類
按有無緩沖區(qū)分類
(1)非對稱型ICBT：有緩沖區(qū)N+，為穿通型IGBT;由于N+區(qū)存在，所以反向阻斷能力弱，但正向壓降低，關(guān)斷時間短，關(guān)斷時的尾部電流小。
(2)對稱型IGBT：無緩沖區(qū)N＋，為非穿通型IGBT；具有正、反向阻斷能力，其他特性較非對稱型IGBT差。
按溝道類型分類
IBGT按溝道類型分為N溝道IGBT和P溝道IGBT。
3．主要性能指標(biāo)
1)通態(tài)電壓Uon
所謂通態(tài)電壓Uon，是指ⅡGBT進入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降Uon，這個電壓隨UGS上升而下降。
2)開關(guān)損耗
IGBT的開關(guān)損耗包括關(guān)斷損耗和開通損耗。常溫下，IGBT的關(guān)斷損耗和MOSFET差不多。其開通損耗平均比MOSFET略小，且它與溫度關(guān)系不大，但每增加100℃，其值增加2倍。兩種器件的開關(guān)損耗和電流相關(guān)，電流越大，損耗越大。
3)安全工作區(qū)的主要參數(shù)（PCM、IcM、UCEM、UGES）
(1)最大集電極功耗PCM：取決于允許結(jié)溫。
(2)最大集電極電流lCM：受元件擎住效應(yīng)限制。
(3)最大集電極-發(fā)射極電壓UCEM：由內(nèi)部PNP型晶體管的擊穿電壓確定。
(4)柵極-發(fā)射極額定電壓UCES：柵極控制信號的電壓額定值。
４．主要優(yōu)缺點
與MOSFET和BJT相比，IGBT的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：
(])它有一個非常低的通態(tài)壓降，且由于它具有優(yōu)異的電導(dǎo)調(diào)制能力和較大的通態(tài)電流密度，使得更小的芯片尺寸和更低的功耗成為可能；
(2) MOS柵結(jié)構(gòu)使得IGBT有較低的驅(qū)動電壓，且只需要簡單的外圍驅(qū)動電路；與BJT和晶閘管相比較，它能更容易地使用在高電壓大電流的電路中；
(3)它有比較寬的安全操作區(qū)，且它具有比雙極型晶體管更優(yōu)良的電流傳導(dǎo)能力，也有良好的正向和反向阻斷能力。
IGBT的主要缺點是：
(1)關(guān)閉速度優(yōu)于BJT但不如MOSFET由于少數(shù)載流子，產(chǎn)生的集電極電流拖尾，導(dǎo)致其關(guān)閉速度很慢；
(2)由于采用PNPN結(jié)構(gòu)，所以很容易產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)。
IGBT適用于較大的阻斷電壓。在為了提高擊穿電壓而讓漂移區(qū)的電阻率和厚度增加時，MOSFET的通態(tài)電阻將會顯著增大。正因為如此，火電流、高阻斷電壓的功率MOSFET通常是很難發(fā)展的。相反，對于IGBT來說，其漂移區(qū)的電阻由于高濃度的少數(shù)載流子的注入而急劇下降，這樣IGBT的漂移區(qū)的正向壓降變得和IGBT本身的厚度相關(guān)，但和原有的電阻率無關(guān)。
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