《新能源汽车电机及传动系统拆装与检测》课件-资讯四 绝缘栅双极型晶体管

大功率晶体管（GTR）属于双极型电流驱动器件，其优点是通流能力很强，不足之处是开关速度相对低，驱动功率大，驱动电路复杂。而MOSFET是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快，输入阻抗高，所需驱动功率小，而且驱动电路简单；缺点是导通压降大。于是有人提出将这两类器件的优点，即GTR的低导通压降与MOSFET的高输入阻抗结合起来，制成复合型器件，通常称为BiMOS器件，即IGBT。它综合了GTR和MOSFET的优点，具有低导通压降和高输入阻抗的综合优点。自投入市场以来，IGBT应用领域广泛，现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。资讯四绝缘栅双极型晶体管1.IGBT的结构和工作原理IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。图4-8（a）所示为一种由N沟道型MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构，与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J3。这样使得IGBT导通时由P+注入区向基区发射少量载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力，其简化等效电路如图4-8（b）所示。IGBT的电气图形符号如图4-8（c）所示。资讯四绝缘栅双极型晶体管图4-8IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号2.IGBT的基本特性1）静态特性图4-9（a）所示为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系，与MOSFET的转移特性类似。开启电压UGE（th）是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE（th）随温度升高而略有下降，温度每升高1℃，其值下降5mV左右。在25℃时，UGE（th）的值一般为2～6V。图4-9（b）所示为IGBT的输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。此特性与GTR的输出特性相似，不同的是参考变量，IGBT为栅射电压UGE，而GTR为基极电流IB。IGBT的输出特性也分为3个区域：正向阻断区、有源区和饱和区，这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。资讯四绝缘栅双极型晶体管资讯四绝缘栅双极型晶体管图4-9IGBT的转移特性和输出特性2）动态特性图4-10所示为IGBT开关过程的波形图。IGBT的开通过程与MOSFET的开通过程很相似，这是因为IGBT在开通过程中大部分时间是作为MOSFET来工作的。如图4-10所示，从驱动电压UGE的前沿上升至其幅值的10％的时刻起，到集电极电流IC上升至其幅值的10％的时刻止，这段时间为开通延迟时间td（on）。而IC从10％ICM上升至90％ICM所需时间为电流上升时间tr。同样，开通时间为开通延迟时间与电流上升时间之和。开通时，集射电压UCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。资讯四绝缘栅双极型晶体管IGBT关断时，从驱动电压UGE的脉冲后沿下降到其幅值的90％的时刻起，到集电极电流下降至90％ICM止，这段时间为关断延迟时间td（off）。集电极电流从90％ICM下降至10％ICM的这段时间为电流下降时间tf。二者之和为关断时间toff。电流下降时间可以分为tfi1和tfi2两段。其中，tfi1对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，这段时间集电极电流IC下降较快；tfi2对应IGBT内部的PNP型晶体管的关断过程，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少数载流子复合缓慢，造成IC下降较慢。资讯四绝缘栅双极型晶体管资讯四绝缘栅双极型晶体管图4-10IGBT开关过程的波形图可以看出，IGBT中双极型PNP型晶体管的存在，虽然带来电导调制效应的好处，但也引入少数载流子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于MOSFET。此外，IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折中的参数。高压器件的N基区必须有足够的宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。资讯四绝缘栅双极型晶体管（1）最大集射极间电压UCES，这是由器件内部的PNP型晶体管所能承受的击穿电压所确定的。（2）最大集电极电流，包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。（3）最大集电极功率PCM，在正常工作温度下允许的最大耗散功率。3.IGBT的主要参数除了前面提到的各参数之外，IGBT的主要参数还包括以下几个。（1）IGBT开关频率高，开关损耗小。有关资料表明，在电压为1000V以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与MOSFET相当。（2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。（3）IGBT的通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。（4）IGBT的输入阻抗高，其输入特性与MOSFET类似。（5）与MOSFET和GTR相比，IG