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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

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igbt簡介

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
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igbt特性

靜態特性
三菱制大功率IGBT模塊
IGBT的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性。
IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時,漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制,Ugs越高,Id越大。它與GTR的輸出特性相似.也可分為飽和區1、放大區2和擊穿特性3部分。在截止狀態下的IGBT,正向電壓由J2結承擔,反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩沖區,則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平,加入N+緩沖區后,反向關斷電壓只能達到幾十伏水平,因此限制了IGBT的某些應用范圍。
IGBT的轉移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關系曲線。它與MOSFET的轉移特性相同,當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時,IGBT處于關斷狀態。在IGBT導通后的大部分漏極電流范圍內,Id與Ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制,其最佳值一般取為15V左右。
動態特性
動態特性又稱開關特性,IGBT的開關特性分為兩大部分:一是開關速度,主要指標是開關過程中各部分時間;另一個是開關過程中的損耗。
IGBT的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT處于導通態時,由于它的PNP晶體管為寬基區晶體管,所以其B值極低。盡管等效電路為達林頓結構,但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時,通態電壓Uds(on)可用下式表示::
Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh
式中Uj1——JI結的正向電壓,其值為0.7~1V;Udr——擴展電阻Rdr上的壓降;Roh——溝道電阻。
通態電流Ids可用下式表示:
Ids=(1+Bpnp)Imos
式中Imos——流過MOSFET的電流。
由于N+區存在電導調制效應,所以IGBT的通態壓降小,耐壓1000V的IGBT通態壓降為2~3V。IGBT處于斷態時,只有很小的泄漏電流存在。
IGBT在開通過程中,大部分時間是作為MOSFET來運行的,只是在漏源電壓Uds下降過程后期,PNP晶體管由放大區至飽和,又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間,tri為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton即為td(on)tri之和,漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成。
IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓,柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時,必須基于以下的參數來進行:器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極-發射極阻抗大,故可使用MOSFET驅動技術進行觸發,不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大,故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。
IGBT在關斷過程中,漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷后,PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除,造成漏極電流較長的尾部時間,td(off)為關斷延遲時間,trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成,而漏極電流的關斷時間
t(off)=td(off)+trv十t(f)
式中:td(off)與trv之和又稱為存儲時間。
IGBT的開關速度低于MOSFET,但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間,但關斷時間隨柵極和發射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3~4V,和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近,飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。
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igbt應用

作為電力電子重要大功率主流器件之一,IGBT已經廣泛應用于家用電器、交通運輸、電力工程、可再生能源和智能電網等領域。在工業應用方面,如交通控制、功率變換、工業電機、不間斷電源、風電與太陽能設備,以及用于自動控制的變頻器。在消費電子方面,IGBT用于家用電器、相機和手機。
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