绝缘栅双极晶体管原理、特点及参数

绝缘栅双极晶体管原理、特点及参数
绝缘栅双极晶体管igbt又叫绝缘栅双极型晶体管。
一．绝缘栅双极晶体管的工作原理：
半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。
该器件符号如下：
n沟道 p沟道
图1-8：igbt的图形符号
注意，它的三个电极分别为门极g、集电极c、发射极e。
图1-9：igbt的等效电路图。
上面给出了该器件的等效电路图。实际上，它相当于把mos管和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了mos管、gtr的优点。
二．绝缘栅双极晶体管的特点：
这种器件的特点是集mosfet与gtr的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。
它的电流密度比mosfet大，芯片面积只有mosfet的40%。但速度比mosfet略低。
大功率igbt模块达到1200-1800a/1800-3300v的水平（参考）。速度在中等电压区域（370-600v），可达到150-180khz。
三．绝缘栅双极晶体管的参数与特性：
（1）转移特性
图1-10：igbt的转移特性
这个特性和mosfet极其类似，反映了管子的控制能力。
（2）输出特性
图1-11：igbt的输出特性
它的三个区分别为：
靠近横轴：正向阻断区，管子处于截止状态。
爬坡区：饱和区，随着负载电流ic变化，uce基本不变，即所谓饱和状态。
水平段：有源区。
（3）通态电压von：
图1-12：igbt通态电压和mosfet比较
所谓通态电压，是指igbt进入导通状态的管压降vds，这个电压随vgs上升而下降。
由上图可以看到，igbt通态电压在电流比较大时，von要小于mosfet。
mosfet的von为正温度系数，igbt小电流为负温度系数，大电流范围内为正温度系数。
（4）开关损耗：
常温下，igbt和mosfet的关断损耗差不多。mosfet开关损耗与温度关系不大，但igbt每增加100度，损耗增加2倍。
开通损耗igbt平均比mosfet略小，而且二者都对温度比较敏感，且呈正温度系数。
两种器件的开关损耗和电流相关，电流越大，损耗越高。
（5）安全工作区与主要参数icm、ucem、pcm：
igbt的安全工作区是由电流icm、电压ucem、功耗pcm包围的区域。
图1-13：igbt的功耗特性
最大集射极间电压ucem：取决于反向击穿电压的大小。
最大集电极功耗pcm：取决于允许结温。
最大集电极电流icm：则受元件擎住效应限制。
所谓擎住效应问题：由于igbt存在一个寄生的晶体管，当ic大到一定程度，寄生晶体管导通，栅极失去控制作用。此时，漏电流增大，造成功耗急剧增加，器件损坏。
安全工作区随着开关速度增加将减小。
（6）栅极偏置电压与电阻
igbt特性主要受栅极偏置控制，而且受浪涌电压影响。其di/dt明显和栅极偏置电压、电阻rg相关，电压越高，di/dt越大，电阻越大，di/dt越小。
而且，栅极电压和短路损坏时间关系也很大，栅极偏置电压越高，短路损坏时间越短。