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+25C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)