IGBT的内部结构及特点:
本文通过等效电路分析,通俗易懂的讲解IGBT的工作原理和作用,并精简的指出了IGBT的特点。
IGBT(绝缘栅双极型晶体管),是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT比起MOSFET的优越性在于它可以节约硅片的面积及具有双极型晶体管电流的特性。但它也有两个缺点:由于有两个串联的PN结,它的饱和压降比较高,另外,IGBT有比较长的拖尾电流,会增加开关损耗。拖尾电流使它的开关频率限制在20kHz以下。因其开关频率刚好超过人的听觉范围,所以把它用在驱动工业电动机上很理想。
IGBT已经成为很多半导体公司的研究目标,它的拖尾时间也已经大大缩短了。原先,拖尾时间是us级,现在已经是ns级了,而且还将继续缩短。饱和电压也从大约4V降低到2V。虽然在低电压DC-DC变换器中,IGBT的使用还成问题,但在离线式和工业大功率变换器上有很大的需求。
IGBT与MOSFET有相同的栅极驱动特性,MOSFET的驱动IC用在IGBT上也可以很好地工作。
IGBT的内部示意图如下:
IGBT的工作原理和作用通俗易懂版:
IGBT就是一个开关,非通即断,如何控制他的通还是断,就是靠的是栅源极的电压,当栅源极加+12V(大于6V,一般取12V到15V)时IGBT导通,栅源极不加电压或者是加负压时,IGBT关断,加负压就是为了可靠关断。
IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。
IGBT有三个端子,分别是G,D,S,在G和S两端加上电压后,内部的电子发生转移(半导体材料的特点,这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因),本来是正离子和负离子一一对应,半导体材料呈中性,但是加上电压后,电子在电压的作用下,累积到一边,形成了一层导电沟道,因为电子是可以导电的,变成了导体。如果撤掉加在GS两端的电压,这层导电的沟道就消失了,就不可以导电了,变成了绝缘体。
IGBT的工作原理和作用电路分析:
由上图可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。
由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定:
1) IGBT栅极与发射极之间的电压;
2) IGBT集电极与发射极之间的电压;
3) 流过IGBT集电极-发射极的电流;
4) IGBT的结温。
如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压,流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。
解读MOSFET与IGBT的各种区别!
MOSFET和IGBT内部结构不同,决定了其应用领域的不同
1, 由于MOSFET的结构,通常它可以做到电流很大,可以到上KA,但是前提耐压能力没有IGBT强。
2, IGBT可以做很大功率,电流和电压都可以,就是一点频率不是太高,目前IGBT硬开关速度可以到100KHZ,那已经是不错了.不过相对于MOSFET的工作频率还是九牛一毛,MOSFET可以工作到几百KHZ,上MHZ,以至几十MHZ,射频领域的产品.
3, 就其应用,根据其特点:MOSFET应用于开关电源,镇流器,高频感应加热,高频逆变焊机,通信电源等等高频电源领域;IGBT集中应用于焊机,逆变器,变频器,电镀电解电源,超音频感应加热等领域
开关电源 (Switch Mode Power Supply, SMPS) 的性能在很大程度上依赖于功率半导体器件的选择,即开关管和整流器。
虽然没有万全的方案来解决选择IGBT还是MOSFET的问题,但针对特定SMPS应用中的IGBT 和 MOSFET进行性能比较,确定关键参数的范围还是能起到一定的参考作用。
下一次我们将对一些参数进行探讨,如硬开关和软开关ZVS (零电压转换) 拓扑中的开关损耗,并对电路和器件特性相关的三个主要功率开关损耗—导通损耗、传导损耗和关断损耗进行描述。还会通过举例说明二极管的恢复特性是决定MOSFET 或 IGBT导通开关损耗的主要因素,讨论二极管恢复性能对于硬开关拓扑的影响。