【技术】一文了解IGBT工作原理及优缺点
IGBT,绝缘栅双极型晶体管,是由(BJT)双极型三极管和绝缘栅型场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有(MOSFET)金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管(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;(因为Vbe=0.7V,而Ic可以很大(跟PN结材料和厚度有关))MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。(因为MOS管有Rds,如果Ids比较大,就会导致Vds很大)。
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最主要的作用就是把高压直流变为交流,以及变频。(所以用在电动车上比较多)。
IGBT的工作原理
忽略复杂的半导体物理推导过程,下面是简化后的工作原理。IGBT有N沟道型和P沟道型两种,主流的N沟道IGBT的电路图符号及其等效电路如下:
所以整个过程就很简单:
当栅极G为高电平时,NMOS导通,所以PNP的CE也导通,电流从CE流过。
当栅极G为低电平时,NMOS截止,所以PNP的CE截止,没有电流流过。
IGBT与MOSFET不同,内部没有寄生的反向二极管,因此在实际使用中(感性负载)需要搭配适当的快恢复二极管。
IGBT的优缺点
优点:
1、具有更高的电压和电流处理能力。
2、极高的输入阻抗。
3、可以使用非常低的电压切换非常高的电流。4、电压控制装置,即它没有输入电流和低输入损耗。
5、栅极驱动电路简单且便宜,降低了栅极驱动的要求
6、通过施加正电压可以很容易地打开它,通过施加零电压或稍微负电压可以很容易地关闭它。
7、具有非常低的导通电阻。
8、具有高电流密度,使其能够具有更小的芯片尺寸。
9、具有比BJT和MOS管更高的功率增益。
10、具有比BJT更高的开关速度。
11、可以使用低控制电压切换高电流电平。
12、双极性质,增强了传导性。
13、安全可靠。
缺点:
1、开关速度低于MOS管。
2、因为是单向的,在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。
3、不能阻挡更高的反向电压。
4、比BJT和MOS管价格更高。
5、类似于晶闸管的P-N-P-N结构,因此它存在锁存问题
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