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1、1.7 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管Power Electronics电力电子技术电力电子技术( (第第5 5版版) ) 第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.7 1.7 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 1.7 、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar (Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor 简称简称IGBTIGBT：) ) 。 兼具功率兼具功率MOSFETMOSFET高速开关高速开关特性和特性和GTRGTR的的低导通压降低导通压降特性两特
2、性两者优点的一种复合器件。者优点的一种复合器件。 IGBTIGBT于于19821982年开始研制，年开始研制，19861986年投产，是发展最快而且年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。很有前途的一种混合型器件。 目前目前IGBTIGBT产品已系列化，最大电流容量达产品已系列化，最大电流容量达1800A1800A，最高电，最高电压等级达压等级达4500V4500V，工作频率达，工作频率达50kHZ50kHZ。 在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，损耗的中小功率领域，IGBTIGBT取代了取代了GTRGTR
3、和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市场。的市场。 1.7.1 绝缘栅双极型晶体管及其工作原理绝缘栅双极型晶体管及其工作原理n1. IGBT的结构的结构 IGBTIGBT的外形结构如图的外形结构如图1.7.1(a)1.7.1(a)电气符号如图电气符号如图1.7.1(b)1.7.1(b)所示所示IGBTIGBT的结构如图的结构如图1.7.2(a)1.7.2(a)所示所示简化等效电路如图简化等效电路如图1.7.2(b)1.7.2(b)所所示示它是在它是在VDMOSVDMOS管结构的基础上管结构的基础上再增加一个再增加一个P P+ +层，形成了一个层，形成了一个大面积的大面积的P+NP+N结结
4、J1J1，和其它结，和其它结J J2 2、J J3 3一起构成了一个相当于一起构成了一个相当于由由VDMOSVDMOS驱动的厚基区驱动的厚基区PNPPNP型型GTR;GTR;IGBTIGBT有三个电极有三个电极: : 集电极、集电极、发射极和栅极发射极和栅极; ; 图图 1.7.2 IGBT的结构和简化等效电路的结构和简化等效电路图图1.7.1 IGBTIGBT的外形结构的外形结构和电气图形符号和电气图形符号 IGBT IGBT也属场控器件，其驱动原理与电力也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFETMOSFET基本相同，是一种由栅极电压基本相同，是一种由栅极电压U UGEGE控控制集电极电流的
5、栅控自关断器件。制集电极电流的栅控自关断器件。 导通：导通：U UGEGE大于开启电压大于开启电压U UGE(th)GE(th)时，时，MOSFETMOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。 导通压降：导通压降：电导调制效应使电阻电导调制效应使电阻R RN N减小，减小，使通态压降小。使通态压降小。 关断：关断：栅射极间施加反压或不加信号时，栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFETMOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，切断，IGBTIGBT关断。关断。图图1.7.3 IGBT1.7.
6、3 IGBT伏安特性伏安特性2.IGBT2.IGBT的工作原理的工作原理1.7.1 绝缘栅双极型晶体管及其工作原理绝缘栅双极型晶体管及其工作原理1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 （1）IGBT的伏安特性的伏安特性 反映在一定的栅极一发射极电压反映在一定的栅极一发射极电压UGEUGE下器件的输出端电压下器件的输出端电压U UCECE与与电流电流I Ic c的关系。的关系。 IGBTIGBT的伏安特性分为的伏安特性分为: :截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。图图1.7.3 IGBT的伏安特性的伏安特性1、IGBT的伏
7、安特性和转移特性的伏安特性和转移特性 IGBT开通：开通： U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)( (开启电开启电压压, ,一般为一般为3 36V) 6V) ；其输出电流；其输出电流I Ic c与驱动电压与驱动电压U UGEGE基本呈线性关系；基本呈线性关系； 图图1.7.3 IGBT的转移特性的转移特性1、IGBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性（2 2）IGBTIGBT的转移特性曲线的转移特性曲线IGBTIGBT关断：关断：UGEUGE(TH)UGEUGE(TH)；1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 2、IGBT的开关特的开关特（1）
8、IGBT的开通过程：的开通过程：从正从正向阻断状态转换到正向导通向阻断状态转换到正向导通的过程。的过程。 开通延迟时间开通延迟时间td(on) ：IC从从10%UCEM到到10%ICM所需时所需时间。间。 电流上升时间电流上升时间tr ：IC从从10%ICM上升至上升至90%ICM所需所需时间。时间。 开通时间开通时间ton ton ： ton = td(on) + + tr图图1.7.4 IGBT的开关特性的开关特性 1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 2、IGBT的开关特性的开关特性（2）IGBT的关断过程的关断过程v关断延迟时间关断延迟时间td(
9、off) ：从：从UGE后沿下后沿下降到其幅值降到其幅值90%的时刻起，到的时刻起，到ic下降下降至至90%ICM 所需的时间。所需的时间。v电流下降时间：电流下降时间：if从从90%ICM下降至下降至10%ICM 所需的时间。所需的时间。v关断时间关断时间toff：关断延迟时间与电流：关断延迟时间与电流下降之和。下降之和。 电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为tfi1和和tfi2 tfi1IGBT内部的内部的MOSFET的关断的关断过程，过程，ic下降较快。下降较快。 tfi2IGBT内部的内部的PNP晶体管的关晶体管的关断过程，断过程，ic下降较慢。下降较慢。图图1.7.4 IGBT的
10、开关特性的开关特性 1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 2、IGBT的开关特性的开关特性（2）IGBT的关断过程的关断过程 IGBT的开关时间与集电极电流、栅极电阻以及结温等参数有关。由的开关时间与集电极电流、栅极电阻以及结温等参数有关。由图曲线可知，随着图曲线可知，随着Ic和和RG的增加，开通时间的增加，开通时间ton、上升时间、上升时间tr、关断时间、关断时间toff和下降时间和下降时间tf都趋向增加，其中都趋向增加，其中RG对开关时间影响较大。对开关时间影响较大。 图图1.7.5 2MBI100-120 型模块的开关时间与集电极电流型模块的开关时
11、间与集电极电流Ic 、 栅极电阻栅极电阻RG的的 关系曲线关系曲线 1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 （1 1）最大集射极间电压）最大集射极间电压UCEMCEM： IGBTIGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。电压。 （2 2）通态压降：）通态压降： 是指是指IGBTIGBT在导通状态时集电极和发射极之间的管压降。在导通状态时集电极和发射极之间的管压降。（3 3）集电极电流最大值）集电极电流最大值I ICMCM： IGBTIGBT的的 I IC C增大，可至器件发生擎住效应，此时为防增大，可
12、至器件发生擎住效应，此时为防止止 发生擎住效应，规定的集电极电流最大值发生擎住效应，规定的集电极电流最大值I ICMCM。 （4 4）最大集电极功耗）最大集电极功耗P PCMCM： 正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗 。 3、IGBT的主要参数的主要参数1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 3、IGBT的主要参数的主要参数 (5) (5) 安全工作区安全工作区 正偏安全工作区正偏安全工作区FBSOAFBSOA：IGBTIGBT在开通时为正向偏置时的安全工在开通时为正向偏置时的安全工作区，如图作区，如图1.7.5(a)1.7.5(a)
13、所示。所示。 反偏安全工作区反偏安全工作区RBSOARBSOA：IGBTIGBT在关断时为反向偏置时的安全工在关断时为反向偏置时的安全工作区，如图作区，如图1.7.5 (b) 1.7.5 (b) 所示。所示。 IGBT IGBT的导通时间越长，发热的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。越严重，安全工作区越小。 在使用中一般通过选择适当在使用中一般通过选择适当的的U UCECE和栅极驱动电阻控制，避免和栅极驱动电阻控制，避免IGBTIGBT因过高而产生擎住效应。因过高而产生擎住效应。 图图1.7.6 IGBT1.7.6 IGBT的安全工作区的安全工作区 dtdUCE1.7.2 缘栅双极型晶
14、体管的特性与主要参数缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 (6) 输入阻抗：输入阻抗：IGBT的输入阻抗高，可达的输入阻抗高，可达 1091011数数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与VDMOS相似。相似。 (7) 最高允许结温最高允许结温TjM：IGBT的最高允许结温的最高允许结温TjM为为150。VDMOS的通态压降随结温升高而显著增加，而的通态压降随结温升高而显著增加，而IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。好的温度特性。3、IGBT的主要参数的主要参数1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数缘栅双极型晶体管的特性与主要参数