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igbt结构及应用
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:520

结构及应用

igbt(insulated gate bipolar transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由bjt(双极型)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。gtr饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;mosfet驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。igbt综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

结构

igbt结构图

  左边所示为一个n 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, n 区称为源区,附于其上的电极称为源极。p 区称为漏区。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的p 型区(包括p 和p 一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区( subchannel region )。而在漏区另一侧的p 区称为漏注入区( drain injector ),它是igbt 特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成pnp双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

 

  igbt 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给pnp(原来为npn)晶体管提供基极电流,使igbt 导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使igbt 关断。igbt 的驱动方法和mosfet 基本相同,只需控制输入极n一沟道mosfet ,所以具有高输入阻抗特性。当mosfet 的沟道形成后,从p 基极注入到n 一层的空穴(少子),对n 一层进行电导调制,减小n 一层的电阻,使igbt 在高电压时,也具有低的通态电压。

三菱制大功率igbt模块

 

工作特性

静态特性

  igbt 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

 

  igbt 的伏安特性是指以栅源电压ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压ugs 的控制,ugs 越高, id 越大。它与gtr 的输出特性相似.也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在下的igbt ,正向电压由j2 结承担,反向电压由j1结承担。如果无n ,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入n 缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了igbt 的某些应用范围。

 

  igbt 的转移特性是指输出漏极电流id 与栅源电压ugs 之间的关系曲线。它与mosfet 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压ugs(th) 时,igbt 处于关断状态。在igbt 导通后的大部分漏极电流范围内, id 与ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15v左右。

 

  igbt 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。igbt 处于导通态时,由于它的pnp 晶体管为宽基区晶体管,所以其b 值极低。尽管等效电路为结构,但流过mosfet 的电流成为igbt 总电流的主要部分。此时,通态电压uds(on) 可用下式表示

 

  uds(on) = uj1 udr idroh

 

  式中uj1 —— ji 结的正向电压,其值为0.7 ~1v ;udr ——扩展电阻rdr 上的压降;roh ——沟道电阻。

 

  通态电流ids 可用下式表示:

 

  ids=(1 bpnp)imos

 

  式中imos ——流过mosfet 的电流。

 

  由于n 区存在电导调制效应,所以igbt 的通态压降小,耐压1000v的igbt 通态压降为2 ~ 3v 。igbt 处于断态时,只有很小的存在。

动态特性

  igbt 在开通过程中,大部分时间是作为mosfet 来运行的,只是在漏源电压uds 下降过程后期, pnp 晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间, tri 为电流。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。

 

  igbt的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的产生。当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和的情况。因为igbt栅极- 发射极阻抗大,故可使用mosfet驱动技术进行触发,不过由于igbt的输入电容较mosfet为大,故igbt的关断偏压应该比许多mosfet驱动电路提供的偏压更高。

 

  igbt在关断过程中,漏极电流的波形变为两段。因为mosfet关断后,pnp晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间,td(off)为关断延迟时间,trv为电压uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成,而漏极电流的关断时间

 

  t(off)=td(off) trv十t(f)

 

  式中,td(off)与trv之和又称为存储时间。

 

  igbt的开关速度低于mosfet,但明显高于gtr。igbt在关断时不需要负栅压来减少关断时间,但关断时间随栅极和发射极的增加而增加。igbt的开启电压约3~4v,和mosfet相当。igbt导通时的饱和压降比mosfet低而和gtr接近,饱和压降随栅极电压的增加而降低。

 

  正式商用的igbt器件的电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用技术发展的需求;高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到10kv以上,目前只能通过igbt高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士abb公司采用软穿通原则研制出了8kv的igbt器件,的eupec生产的6500v/600a高压大功率igbt器件已经获得实际应用,东芝也已涉足该领域。与此同时,各大生产厂商不断开发igbt的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术,主要采用1um以下制作工艺,研制开发取得一些新进展。

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