IGBT谐振开关状态下的损耗研究资料下载.pdf
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它也有很多缺点:
1、开关频率低:
GTR是少子扩散形成电流,在高注入下会产生剩余载流子。
在关断时,这些载流子需耍通过抽出和复合来消除,因而耗费时间。
2.输入阻抗低:
GTR是一种电流控制器件,电流放大倍数很低,在大容量时基极电流很大,这不仅产生损坏,而且使GTR驱动电路的体积很大且制作麻烦。
PowerMOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的,因此,它的一个显著特点是驱动电路简单,需要的驱动功率小.第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。
另外,它具有负电流温度系数.热稳定性好的优点,器件不易产生过热点,也不易出现SB(SecondaryBreakdown二次击穿),故SOA安全工作区)较大。
但是,PowerMOSFET也存在不容忽视的弱点:
1、导通压降高:
由于只有多子漂移,因而通态下并无电导调制效应,导通电阻不会变低,因而。
在相同的耐压下,MOSFET的导通电阻远高于GTR,因而其导通压降也高得多。
增加导通损耗。
2、开关容量低:
MOSFET的阻断电压和导通电压之间存在制约关系,增加基区厚度固然可以提高电压耐重,但同时也提高导通压降,为了折衷,不得不增加芯片面积。
这使得芯片面积利用率和电流密度都下降。
可以看出,GTR和MOSFET的优缺点都与它们的导电机制有关,由于导电机制不同,这些优缺点是互补的。
GTR和GTO是双极型电流驱动器件,由于具有电导调制效应,其通流能力很强,但开关速度较低,所需驱动功率大,驱动电路复杂。
而电力MOSFET是单极型电压驱动器件,开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小而且驱动电路简单。
将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件,通常称为Bi-MOS器件。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated-gateBipolarTransistor一IGBT或IGT)综合了。
TR和MOSFET万方数据浙江大学硕士学位论文的优点,因而具有良好的特性。
因此,自从其1986年开始投入市场,就迅速扩展了其应用领域,目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场,成为中小功率电力电子设备的主导器件,并在继续努力提高电压和电流容量,以期取代GTO的地位。
2.1.2IGBT的发展概况IGBT自1982年试制成功迄今,已经过几代更迭。
第一代IGBT于1985年投产.其主要特点是低损耗,一般导通压降为3V,下降时间为0.511s,耐压为500-600V,电流25A,这一代器件存在电流擎住的问题,开关速度也远低于PowerMOSFET.第二代IGBT于1989年投产,并且分为两大类:
高速开关型和低通态压降型。
高速开关型,适用于20kHz超音频领域,在相同的通态压降下,下降时间降为原来的一半左右:
低通态压降型,适用于5kHz以下的开关频率范围,在相同的开关特性下,导通压降为0.6-0.7V,容量为0.6-1.2kV/400A。
这一代器件已解决电流擎住问题.可以在较好的通态特性前提下获得接近MOSFET的开关特性。
这一代器件己开始实现模块化。
现在已推广应用的第三代IGBT通态电压更低、开关速度更快,耐压达到1700-2000V.第二代IGBT的发展还是分成两个方向:
一个方向是进一步改善通态压降和开关特性的制约关系,追求更低损耗和更高速度;
另一方向是发展更大容量,在模块化的基础上采用平板压接工艺。
根据己有的导电机理要使IGBT耐压更高,仍然受到导通压降过大的制约,据此,东芝公司按照新的电子注入增强效应研制出高压器件:
4.5kV/1.OkA(平板式结构),并起名为IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor).西门子公司从1988年开始研制和应用低压IGBT,在高压IGBT的开发上也处于领先地位,以目前用于MV系列的1200A/3300VIGBT为例,其栅极发射极电压仅为15V,触发功率低,关断损耗小,di/dt,dv/dt都得到了有效控制,目前高压IGBT的研制水平为(6001200)A/6500V11,其工作频率为(18-20)kHz.正在发展的第四代及第五代IGBT,其主要特征是低通态电压、短关断时间、小损耗、高频率、模块化、智能化等。
自20世纪80年代末,IGBT开始向智能化发展,模块内置功能已包含各种接口电路、过流保护和过热保护电路、PWM控制电路,这实际已经是一种功率集成电路。
万方数据浙江大学硕士学位论文2.2IGBT的结构及主要特性简介2.2.1IGBT的结构和工作原理IGBT的单胞结构示意图如图2.1所示。
IGBT实质上是一个场效应晶体管,但是,为了兼顾长期以来的习惯称谓,部分器件外部端口的命名沿用双极型晶体管名称,从源极引出的电极端称发射极E,从漏极引出的电极端称集电极C。
但栅极G保持原名不变。
IGBT是在功率MOSFET的基础上发展起来的,两者结构十分类似1791。
与MOSFET相比,IGBT多了一层P注入区,因而形成一个大面积的PN结J,.当加在集电极和发射极之间的电压为负时,P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏,无电流通过,器件工作在反向阻断状态:
当栅极对发射极之间短路、集电极加正向电压时,器件工作在正向阻断状态;
当栅极对发射极所加的正向偏压超过其门槛电压时,MOs区将形成反型层.MOSFET内形成沟道,电子从N十发射区流向N-漂移区.这个电子流为晶体管提供基极电流,由于集电极和发射极所加电压为正压,J,结正偏,空穴从P+层注入到N-漂移区,电子和漂移区的空穴复合.剩余的空穴被注入到发射极,形成集电极和发射极之间的垂直电流。
_l尸卜WT卜日“_IIN翻【JS.(a)IGBT内部结构图(b)简化等效电路(c)电气图形符号图2.1IGBT结构图简化等效电路和电气图形符号导通时,由P+区向N基区发射少子,从而对漂移区电阻率进行调制,使得IGBT具有很强的通流能力。
其简化等效电路如图2.1b所示,可以看出,这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构,相当于一个MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。
图中R为晶体管基区内的调制电阻(体电阻),因此,IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,是一种场控万方数据浙江大学硕士学位论文器件。
IGBT的开通和关断是由栅极和发射极之间的电压UGE决定的,当UGE为正且大于开启电
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