關(guān)于IGBT的特性

IGBT，InsulatedGateBipolarTransistor，是一種復(fù)合全控電壓驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體器件由BJT（雙極晶體管）和IGFET（絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管）組成。它兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。GTR的飽和電壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流更大。MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT結(jié)合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小，飽和電壓降低。非常適合用于直流電壓600V及以上的變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、逆變器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和FWD（續(xù)流二極管）通過(guò)特定的電路橋封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品。封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于逆變器、UPS不間斷電源等設(shè)備。IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維護(hù)方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。一般IGBT也指IGBT模塊。隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品將在市場(chǎng)上越來(lái)越普遍。IGBT是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子器件的“CPU”，廣泛應(yīng)用于軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車、新能源設(shè)備等領(lǐng)域。

IGBT的特性

1、靜態(tài) VI 特性

下圖顯示了 n 溝道 IGBT 的靜態(tài) VI 特性以及標(biāo)有參數(shù)的電路圖，該圖與 BJT 的圖相似，只是圖中保持恒定的參數(shù)是 VGE，因?yàn)?IGBT 是電壓控制器件，而 BJT 是電流控制器件。

IGBT的靜態(tài)特性圖

當(dāng) IGBT 處于關(guān)閉模式時(shí)（VCE為正且 VGE 《 VGET），反向電壓被 J 2 阻斷，當(dāng)它被反向偏置時(shí)，即 VCE為負(fù)，J 1 阻斷電壓。

2、開(kāi)關(guān)特性

IGBT 是電壓控制器件，因此它只需要一個(gè)很小的電壓到柵極即可保持導(dǎo)通狀態(tài)。

由于是單向器件， IGBT 只能在從集電極到發(fā)射極的正向切換電流。IGBT的典型開(kāi)關(guān)電路如下所示，柵極電壓 VG施加到柵極引腳以從電源電壓 V+ 切換電機(jī) （M）。電阻 Rs 大致用于限制通過(guò)電機(jī)的電流。

IGBT的典型開(kāi)關(guān)電路圖

下圖顯示了IGBT 的典型開(kāi)關(guān)特性。

IGBT 的典型開(kāi)關(guān)特性

導(dǎo)通時(shí)間（ t on）：通常由延遲時(shí)間 （t dn ） 和上升時(shí)間 （t r ） 兩部分組成。

延遲時(shí)間 （t dn ）：定義為集電極電流從漏電流 ICE上升到 0.1 IC（最終集電極電流）和集電極發(fā)射極電壓從 VCE下降到 0.9VCE的時(shí)間。

上升時(shí)間 （t r ）：定義為集電極電流從 0.1 IC上升到 IC以及集電極-發(fā)射極電壓從 0.9V CE下降到 0.1 VCE的時(shí)間。

關(guān)斷時(shí)間（ t off）：由三個(gè)部分組成，延遲時(shí)間 （t df ）、初始下降時(shí)間 （t f1 ） 和最終下降時(shí)間 （t f2 ）。

延遲時(shí)間 （t df ）：定義為集電極電流從 I C下降到 0.9 I C并且 V CE開(kāi)始上升的時(shí)間。

初始下降時(shí)間 （t f1 ）：是集電極電流從 0.9 I C下降到 0.2 I C并且集電極發(fā)射極電壓上升到 0.1 V CE的時(shí)間。

最終下降時(shí)間 （t f2 ）：定義為集電極電流從 0.2 I C下降到 0.1 I C并且 0.1V CE上升到最終值 V CE的時(shí)間。

關(guān)斷時(shí)間公式

導(dǎo)通時(shí)間公式

3、輸入特性

下圖可以理解IGBT的輸入特性。開(kāi)始，當(dāng)沒(méi)有電壓施加到柵極引腳時(shí)，IGBT 處于關(guān)閉狀態(tài)，沒(méi)有電流流過(guò)集電極引腳。

當(dāng)施加到柵極引腳的電壓超過(guò)閾值電壓時(shí)，IGBT 開(kāi)始導(dǎo)通，集電極電流 I G開(kāi)始在集電極和發(fā)射極端子之間流動(dòng)。集電極電流相對(duì)于柵極電壓增加，如下圖所示。

IGBT的輸入特性圖

4、輸出特性

由于 IGBT 的工作依賴于電壓，因此只需要在柵極端子上提供極少量的電壓即可保持導(dǎo)通。

IGBT 與雙極功率晶體管相反，雙極功率晶體管需要在基極區(qū)域有連續(xù)的基極電流流動(dòng)以保持飽和。IGBT 是單向器件，這意味著它只能在“正向”（從集電極到發(fā)射極）開(kāi)關(guān)。

IGBT 與具有雙向電流切換過(guò)程的 MOS 管正好相反。MOS管正向可控，反向電壓不受控制。

在動(dòng)態(tài)條件下，當(dāng) IGBT 關(guān)閉時(shí)， 可能會(huì)經(jīng)歷閂鎖電流，當(dāng)連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)驅(qū)動(dòng)電流似乎超過(guò)臨界值時(shí)，這就是閂鎖電流。

此外，當(dāng)柵極-發(fā)射極電壓低于閾值電壓時(shí)，會(huì)有少量漏電流流過(guò) IGBT ，此時(shí)，集電極-發(fā)射極電壓幾乎等于電源電壓，因此，四層器件 IGBT 工作在截止區(qū)。

IGBT 的輸出特性圖

開(kāi)IGBT 的輸出特性分為三個(gè)階段：

第一階段：當(dāng)柵極電壓 VGE 為零時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)，這稱為截止區(qū)。

第二階段：當(dāng) VGE 增加時(shí)，如果它小于閾值電壓，那么會(huì)有很小的漏電流流過(guò) IGBT ，但I(xiàn) GBT 仍然處于截止區(qū)。

第三階段：當(dāng) VGE增加到超過(guò)閾值電壓時(shí)，IGBT 進(jìn)入有源區(qū)，電流開(kāi)始流過(guò) IGBT 。如下圖所示，電流將隨著電壓 VGE的增加而增加。