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IGBT(绝缘栅双极性晶体管)简介及工作原理
发布时间:2023-11-04    浏览:990 次  

        IGBT,即绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor)是结合了电力晶体管(Giant Transistor—GTR)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)的优点,具有良好的特性,应用领域很广泛;

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        IGBT也是有三个引脚的器件,三个引脚分别是:栅极G,集电极C极和发射极E极。IGBT 看作 BJT 和 MOS 管的融合体,IGBT具有 MOS 的输入特性和BJT 管的输出特性。与 BJT 或 MOS管相比,绝缘栅双极型晶体管 IGBT 的优势在于它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益,以及更高的工作电压和更低的 MOS 管输入损耗。IGBT 主要用于放大器,用于通过脉冲宽度调制 (PWM) 切换/处理复杂的波形。

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        IGBT(绝缘栅双极性晶体管)本质上就是一个电子开关,当我们给G极高电平,它就导通了,相当于开关闭合;当我们给G极低电平,它就会截止,相当于开关断开;看到G极,C极,E极大家是不是感到非常熟悉?是的,G极,即是MOS管的栅极G极;C极和E极分别是三极管的集电极C极和发射极E极,因为IGBT(绝缘栅双极性晶体管)内部结构是结合了MOS管的低驱动电流特性,三极管低导通电阻这些优势,MOS管是电场驱动器件,当MOS管导通时,它的G极、S极几乎相当于断路,电流极小,所以说MOS管的驱动电流低;三极管饱和导通时,它的C极、E极电阻很小,所以说三极管的导通电阻低,所以 IGBT(绝缘栅双极性晶体管)的等效电路符号是集MOS管和三极管两者于一身,当我们给G极低电平时,IGBT就截止,但G极高电平时,MOS管先导通,然后三极管的C极、E极形成了电流,所以IGBT就导通了,这个就是IGBT的工作原理。

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IGBT 是电压控制器件,因此它只需要一个很小的电压到栅极即可保持导通状态。


由于是单向器件, IGBT 只能在从集电极到发射极的正向切换电流。IGBT的典型开关电路如下所示,栅极电压 VG施加到栅极引脚以从电源电压 V+ 切换电机 (M)。电阻 Rs 大致用于限制通过电机的电流。


导通时间( t on):通常由延迟时间 (t dn ) 和上升时间 (t r ) 两部分组成。


延迟时间 (t dn ):定义为集电极电流从漏电流 ICE上升到 0.1 IC(最终集电极电流)和集电极发射极电压从 VCE下降到 0.9VCE的时间。


上升时间 (t r ):定义为集电极电流从 0.1 IC上升到 IC以及集电极-发射极电压从 0.9V CE下降到 0.1 VCE的时间。


关断时间( t off):由三个部分组成,延迟时间 (t df )、初始下降时间 (t f1 ) 和最终下降时间 (t f2 )。


延迟时间 (t df ):定义为集电极电流从 I C下降到 0.9 I C并且 V CE开始上升的时间。


初始下降时间 (t f1 ):是集电极电流从 0.9 I C下降到 0.2 I C并且集电极发射极电压上升到 0.1 V CE的时间。


最终下降时间 (t f2 ):定义为集电极电流从 0.2 I C下降到 0.1 I C并且 0.1V CE上升到最终值 V CE的时间。


那么IGBT的优缺点总结有哪些呢,如下:


1、先讲优点部分,IGBT作为一个整体兼有BJT和MOS管的优点;

A、具有更高的电压和电流处理能力;

B、具有非常高的输入阻抗;

C、可以使用非常低的电压切换非常高的电流;

D、电压控制装置,即它没有输入电流和低输入损耗;

E、栅极驱动电路简单且便宜,降低了栅极驱动的要求;

F、通过施加正电压可以很容易地打开它,通过施加零电压或稍微负电压可以很容易地关闭它;

G、具有非常低的导通电阻;

H、具有高电流密度,使其能够具有更小的芯片尺寸;

I、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益;

J、具有比 BJT 更高的开关速度;

K、可以使用低控制电压切换高电流电平;

L、由于双极性质,增强了传导性;

M、更安全。


2、缺点:

A、开关速度低于 MOS管;

B、单向的,在没有附加电路的情况下无法处理AC波形;

C、不能阻挡更高的反向电压

D、比 BJT 和 MOS管 更昂贵;

E、类似于晶闸管的 PNPN 结构,它存在锁存问题;

F、与 PMOS 管 相比,关断时间长;

H、类似于晶闸管的 PNPN 结构,它存在锁存问题;

I、与 PMOS 管 相比,关断时间长。


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