絕緣柵雙極型晶體管的原理，分類，優(yōu)勢與缺點(diǎn)
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(jī)可變驅(qū)動裝置和電子計算機(jī)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(diǎn)。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(diǎn)，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(jìn)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(diǎn)
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(diǎn)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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