绝缘门/双极性晶体管介绍与特性

2022-4-29 10:55:25 9313 IGBT MOSFET 双极性晶体管

IGBT 是一种功率开关晶体管，它结合了 mosfet 和 bjt 的优点，用于电源和电机控制威廉希尔官方网站
绝缘栅极双极性晶体管也简称为 IGBT，是传统双极性晶体管晶体管和场效应晶体管的交叉，使其成为理想的半导体开关器件。
IGBT 晶体管采用了这两种类型的晶体管的最好的部分，高输入阻抗和高开关速度的 MOSFET 与低饱和电压的双极性晶体管，并结合在一起，产生另一种晶体管开关设备，能够处理大集电极-发射极电流与几乎零栅流驱动器。

典型的 IGBT

绝缘栅双极性晶体管，即 IGBT，结合了 MOSFET 的绝缘栅(因此得名第一部分)技术和传统双极性晶体管的输出性能特性，因此得名第二部分。
这种混合组合的结果是，“ IGBT 晶体管”具有双极性晶体管晶体管的输出开关和导通特性，但像 MOSFET 一样是电压控制的。
Igbt 主要应用于电力电子应用领域，如逆变器、变换器和电源等，但功率双极器件和功率 mosfet 对固态开关器件的要求不能完全满足。大电流和高电压双极器件虽然已经有了，但是它们的开关速度很慢，而功率 mosfet 可能具有更高的开关速度，但是高电压和大电流器件价格昂贵且难以实现。
与 BJT 或 MOSFET 相比，绝缘栅双极性晶体管器件的优势在于，它比标准双极型晶体管提供了更大的功率增益，并且具有更高的电压工作和更低的 MOSFET 输入损耗。实际上，它是一种集成了双极性晶体管的达灵顿型结构，如图所示。
绝缘门/双极性晶体管

我们可以看到，绝缘栅双极性晶体管是一个三端子，跨导器件，结合了绝缘栅 n 沟道 MOSFET 输入和 PNP 双极性晶体管输出相连的一种达灵顿配置。
因此，端子被标记为: 集电极、发射极和栅极。它的两个端子(C-E)与通过电流的电导路径相关联，而它的第三个端子(g)控制器件。
绝缘栅双极性晶体管所达到的放大量是其输出信号与输入信号之间的比值。对于传统的双极性晶体管来说，增益的大小大约等于输出电流与输入电流的比值，称为贝塔。
对于金属氧化物半导体场效应晶体管或 MOSFET，没有输入电流，因为栅极与主载流沟道隔离。因此，场效应管的增益等于输出电流变化与输入电压变化的比值，使其成为一个跨导器件，IGBT 也是如此。然后我们可以把 IGBT 看作是由 MOSFET 提供基极电流的功率 BJT。
绝缘栅双极性晶体管可以用在小信号放大威廉希尔官方网站中，与 BJT 或 MOSFET 类型的晶体管的工作方式大致相同。但是，由于 IGBT 结合了 BJT 的低导通损耗和功率 MOSFET 的高开关速度，存在一个最佳的固态开关，这是理想的电力电子应用。
另外，IGBT 具有比等效 MOSFET 低得多的“通态”电阻 RON。这意味着对于给定的开关电流，跨双极输出结构的 I2R 下降要低得多。IGBT 晶体管的正向阻断操作与功率 MOSFET 相同。
当用作静态控制开关时，绝缘栅极双极性晶体管的电压和电流额定值类似于双极性晶体管开关。然而，IGBT 中存在一个独立的栅极，这使得驱动起来比 BJT 要简单得多，因为它需要的驱动电源要少得多。
绝缘门双极性晶体管只需激活和关闭其门端子就可以简单地打开“ ON”或“ OFF”。在栅极和发射极之间施加一个正的输入电压信号将使器件保持在“ ON”状态，而将输入栅极信号设为零或轻微的负值将导致器件像双极性晶体管或 eMOSFET 一样关闭“ OFF”。IGBT 的另一个优点是它具有比标准 MOSFET 低得多的导通沟道电阻。
IGBT 特性

由于 IGBT 是一种电压控制器件，它只需要在栅极上加一个很小的电压，就可以通过器件保持导通，这与 BJT 不同，BJT 要求连续提供足够的基极电流，以保持饱和。
另外，IGBT 是一种单向器件，也就是说它只能在“正向”方向上切换电流，即从集电极到发射极，而 MOSFET 具有双向电流切换能力(在正向方向上受控，在反向方向上不受控)。
绝缘栅极双极性晶体管的工作原理和栅极驱动威廉希尔官方网站与 n 沟道功率 MOSFET 非常相似。基本区别在于 IGBT 中，当电流通过处于“ ON”状态的器件时，主导通道所提供的电阻要小得多。正因为如此，当与等效功率 MOSFET 相比，电流额定值要高得多。
与其他类型的晶体管器件相比，使用绝缘门双极性晶体管的主要优点是其高电压能力、低开关电阻、易于驱动、相对快速的开关速度以及与零门驱动电流相结合，使其成为中速、高电压应用的一个很好的选择，如脉宽调制(PWM)、变速控制、开关模式电源或太阳能驱动的 DC-AC 逆变器和运行在数百千赫兹范围内的混频器应用。
下表给出了 BJT、 MOSFET 和 IGBT 的一般性比较。
IGBT 比较表

Device 设备 Characteristic 特性	Power 力量 Bipolar 双相障碍	Power 力量 MOSFET 场效应晶体管	IGBT
额定电压	高 < 1千伏	高 < 1千伏	超过1kv
电流额定值	高度 < 500A	低于200a	500A"">高度 > 500A
输入驱动器	目前，hFE 20-200	电压 vGS 3-10V	Voltage, vGE 4-8V
输入阻抗	低	高	高
输出阻抗	低	中等	低
切换速度	慢	快速	中等
成本	低	中等	高

我们已经看到，绝缘栅极双极性晶体管是一种半导体开关器件，具有双极性晶体管晶体管的输出特性，但是像金属氧化物场效应晶体管，MOSFET 一样被控制。
IGBT 晶体管的主要优点之一是简单，通过施加一个正的栅极电压可以驱动“ ON”，或者通过使栅极信号为零或略为负来开关“ OFF”，从而允许它用于各种开关应用。它也可以驱动在其线性有源区用于功率放大器。
由于其较低的导通电阻和传导损耗，以及在高频段切换高电压而不损坏的能力，使得绝缘栅双极性晶体管成为驱动感性负载的理想选择，如线圈绕组、电磁铁和直流电动机。
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