ABB 5SXE05-0151 GVC703AE01

IGBT （绝缘栅双极晶体管）作为一种功率半导体器件，广泛应用于轨道交通、智能电网、工业节能、电动汽车和新能源装备等领域。具有节能、安装方便、维护方便、散热稳定等特点。它是能量转换和传输的核心装置。简单概括一下，IGBT可以说是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和BJT的结合体（双极结型晶体管）。即它结合了MOSFET的栅压控制晶体管（高输入阻抗），利用BJT的双载流子来达到大电流的目的（压控双极型器件）。 GBT 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。 IGBT 是 BJT 和 MOS管的融合，IGBT 的符号也代表相同。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。 集电极和发射极是导通端子，栅极是控制开关操作的控制端子。

IGBT内部结构 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有二氧化硅层。 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。 漂移区的厚度决定了 IGBT 的电压阻断能力。 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。 收集器区域（或注入区域）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，这意味着在 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。

IGBT工作原理 IGBT 的工作原理是通过激活或停用其栅极端子来开启或关闭。 如果正输入电压通过栅极，发射器保持驱动电路开启。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。 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 的特性 1、静态 VI 特性 显示 n 沟道 IGBT 的静态 VI 特性以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。 2、开关特性 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。

3、输入特性 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。 4、输出特性 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，这意味着它只能在“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。

开IGBT 的输出特性分为三个阶段： 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 。如下图所示，电流将随着电压 VGE的增加而增加。

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