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IGBT的原理




绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)综合了电力晶体管(Giant Transistor—GTR)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)的优点,具有良好的特性,应用领域很较多 ;IGBT也是三端器件:栅极,集电极和发射极。

 电力MOSFET器件是单极型(N沟道MOSFET中仅电子导电、P沟道MOSFET中仅空穴导电)、电压控制型开关器件;因此其通、断驱动控制功率很小,开关速度迅速;但通态降压大,难于制成高压大电流开关器件。电力三极晶体管是双极型(其中,电子、空穴两种多数载流子都参与导电)、电流控制型开关器件;因此其通-断控制驱动功率大,开关速度不够迅速 ;但通态压降低,可制成较高电压和较大电流的开关器件。为了兼有这两种器件的优点,弃其缺点,20世纪80年代中期出现了将它们的通、断机制相结合的新一代半导体电力开关器件——绝缘栅极双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)。它是一种复合器件,其输入控制部分为MOSFET,输出级为双级结型三极晶体管;因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点,即高输入阻抗,电压控制,驱动功率小,开关速度迅速 ,工作频率可达到10~40kHz(比电力三极管高),饱和压降低(比MOSFET 小得多,与电力三极管相当),电压、电流容量较大,安全工作区域宽。目前2500~3000V、800~1800A的IGBT器件已有产品,可供几千kVA以下的高频电力电子装置选用。
   IGBT的符号、内部结构等值电路及静态特性。IGBT也有3个电极:栅极G、发射极E和集电极C。输入部分是一个MOSFET管,图1中Rdr表示MOSFET的等效调制电阻(即漏极-源极之间的等效电阻RDS)。输出部分为一个PNP三极管T1,此外还有一个内部寄生的三极管T2(NPN管),在NPN晶体管T2的基极与发射极之间有一个体区电阻Rbr。
  当栅极G与发射极E之间的外加电压UGE=0时,MOSFET管内无导电沟道,其调制电阻Rdr可视为无穷大,Ic=0,MOSFET处于断态。在栅极G与发射极E之间的外加控制电压UGE,可以改变MOSFET管导电沟道的宽度,从而改变调制电阻Rdr,这就改变了输出晶体管T1(PNP管)的基极电流,控制了IGBT管的集电极电流Ic。当UGE足够大时(例如15V),则T1饱和导电,IGBT进入通态。一旦撤除UGE,即UGE=0,则MOSFET从通态转入断态,T1截止,IGBT器件从通态转入断态。

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