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IGBT啥意思?一文详细地理解阅读IGBT工作原理几分钟带你搞定
2024-05-19 09:04:11 | 作者:BOB体育开户
 
 
 

  原标题:IGBT啥意思?一文详细地理解阅读IGBT工作原理,几分钟带你搞定IGBT

  在实际应用中最流行和最常见的电子元器件是双极结型晶体管 BJT 和 MOS管。

  你可以把IGBT看作BJT和MOS管的融合体,IGBT具有BJT的输入特性和MOS管的输出特性。

  与BJT或MOS管相比,绝缘栅双极型晶体管IGBT优点是它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益,以及更高工作电压和更低MOS管输入损耗。

  IGBT是绝缘栅双极晶体管的简称,是一种三端半导体开关器件,可用于多种电子设备中的高效快速开关。

  IGBT大多数都用在放大器,用于通过脉冲宽度调制 (PWM) 切换/处理复杂的波形。

  你可以看到输入侧代表具有栅极端子的MOS管,输出侧代表具有集电极和发射极的BJT。

  IGBT有三个端子(集电极、发射极和栅极)都附有金属层。然而,栅极端子上的金属材料具备二氧化硅层。

  IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件是通过组合PNP和NPN晶体管来实现的,它们构成了PNPN排列。

  如上图所示,最靠近集电极区的层是 (p+) 衬底,即注入区;在它上面是 N 漂移区域,包括 N 层。注入区将大部分载流子(空穴电流)从 (p+) 注入 N- 层。

  漂移区域的上面是主体区域,它由 (p) 基板组成,靠近发射极,在主体区域内部,有 (n+) 层。

  注入区域和 N 漂移区域之间的连接点是 J2。类似地,N-区域 和 主体区域之间的结点是结点 J1。

  注意:IGBT 的结构在拓扑上类似于“MOS”栅极的晶闸管。但是,晶闸管动作和功能是可抑制的,这在某种程度上预示着在 IGBT 的整个器件工作范围内只允许晶体管动作。IGBT 比晶闸管更可取,因为晶闸管等待过零的快速切换。

  如果正输入电压通过栅极,发射极保持驱动电路开启。另一方面,如果 IGBT 的栅极端电压为零或略为负,则会关闭电路应用。

  由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管,因此它实现的放大量是其输出信号和控制输入信号之间的比率。

  对于传统的 BJT,增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同,我们将其称为 Beta 并表示为 β。

  另一方面,对于 MOS管,没有输入电流,因为栅极端子是主通道承载电流的隔离。我们通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定 IGBT 的增益。

  如图所示,当集电极相对于发射极处于正电位时,N 沟道 IGBT 导通,而栅极相对于发射极也处于足够的正电位 (V GET )。这种情况导致在栅极正下方形成反型层,从而形成沟道,并且电流开始从集电极流向发射极。

  IGBT 中的集电极电流 Ic 由两个分量 Ie和 Ih 组成。Ie 是由于注入的电子通过注入层、漂移层和最终形成的沟道从集电极流向发射极的电流。Ih 是通过 Q1 和体电阻 Rb从集电极流向发射极的空穴电流。因此尽管 Ih几乎能忽略不计,因此 Ic ≈ Ie。

  在 IGBT 中观察到一种特殊现象,称为 IGBT 的闩锁。这发生在集电极电流大于某个阈值(ICE)。在这种情况下,寄生晶闸管被锁定,栅极端子失去对集电极电流的控制,即使栅极电位降低到 VGET以下,IGBT 也无法关闭。

  现在要关断 IGBT,我们应该典型的换流电路,例如晶闸管强制换流的情况。如果不尽快关闭设备,可能会损坏设备。

  下图很好地解释IGBT的工作原理,描述了 IGBT 的整个器件工作范围。

  IGBT 仅在栅极端子上有电压供应时工作,它是栅极电压,即 VG。如上图所示,一旦存在栅极电压 ( VG ) ,栅极电流 ( IG ) 就会增加,然后它会增加栅极-发射极电压 ( VGE )。

  因此,栅极-发射极电压增加了集电极电流 ( IC )。因此,集电极电流 ( IC ) 降低了集电极到发射极电压 ( VCE )。

  注意:IGBT 具有类似于二极管的电压降,通常为 2V 量级,仅随着电流的对数增加。

  IGBT 使用续流二极管传导反向电流,续流二极管放置在 IGBT 的集电极-发射极端子上。

  IGBT的近似等效电路由 MOS 管和 PNP 晶体管(Q1 )组成,考虑到 n- 漂移区提供的电阻,电阻 Rd已包含在电路中,如下图所示:

  仔细检查 IGBT 的基本结构,能得出这个等效电路,基本结构如下图所示。

  观察上面显示 IGBT 的基本结构,能够正常的看到到从集电极到发射极存在另一条路径,这条路径是集电极、p+、n- 、 p(n 通道)、n+ 和发射极。

  因此,在 IGBT 结构中存在另一个晶体管 Q2作为 n – pn+,因此,我们应该在近似等效电路中加入这个晶体管 Q2以获得精确的等效电路。

  众所周知,IGBT是 MOS 管的输入和 BJT 的输出的组合,它具有与N沟道MOS管和达林顿配置的PNP BJT等效的结构,因此也能加入漂移区的电阻。

  下图显示了 n 沟道 IGBT 的静态 VI 特性及标有参数的电路图,该图与 BJT 的图相似,只是图中保持恒定的参数是 VGE,因为 IGBT 是电压控制器件,而 BJT 是电流控制器件。

  当 IGBT 处于关闭模式时(VCE为正且 VGE VGET),反向电压被 J 2 阻断,当它被反向偏置时,即 VCE为负,J 1 阻断电压。

  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。

  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。

  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。

  由三个部分所组成,延迟时间 (t df )、初始下降时间 (t f1 ) 和最终下降时间 (t f2 )。

  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。

  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。

  下图能够理解IGBT的输入特性。开始,当没有电压施加到栅极引脚时,IGBT 处于关闭状态,没有电流流过集电极引脚。

  当施加到栅极引脚的电压超过阈值电压时,IGBT 开始导通,集电极电流 I G开始在集电极和发射极端子之间流动。集电极电流相对于栅极电压增加,如下图所示。

  由于 IGBT 的工作依赖于电压,因此只需要在栅极端子上提供极少量的电压即可保持导通。

  IGBT 与双极功率晶体管相反,双极功率晶体管需要在基极区域有连续的基极电流流动以保持饱和。IGBT 是单向器件,这在某种程度上预示着它只能在“正向”(从集电极到发射极)开关。

  IGBT 与具有双向电流切换过程的 MOS 管正好相反。MOS管正向可控,反向电压不受控制。

  在动态条件下,当 IGBT 关闭时, 可能会经历闩锁电流,当连续导通状态驱动电流似乎超过临界值时,这就是闩锁电流。

  此外,当栅极-发射极电压低于阈值电压时,会有少量漏电流流过 IGBT ,此时,集电极-发射极电压几乎等于电源电压,因此,四层器件 IGBT 工作在截止区。

  第一阶段:当栅极电压 VGE 为零时,IGBT 处于关断状态,这称为截止区。

  第二阶段:当 VGE 增加时,如果它小于阈值电压,那么会有很小的漏电流流过 IGBT ,但I GBT 仍然处于截止区。

  第三阶段:当 VGE增加到超过阈值电压时,IGBT 进入有源区,电流开始流过 IGBT 。如上图所示,电流将随着电压 VGE的增加而增加。

  以上就是有关于 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)内部结构、工作原理、特性、优缺点等的内容,还有补充的可以在评论区交流哦!

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