IGBT(绝缘栅双极型晶体管) , 是由 BJT(双极结型晶体三极管) 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,其具有自关断的特征 。简单讲 , 是一个非通即断的开关 , 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融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点 , 如驱动功率小和饱和压降低等 。
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IGBT模块是由IGBT与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品 , 具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点 。
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IGBT是能源转换与传输的核心器件 , 是电力电子装置的“CPU”。采用IGBT进行功率变换 , 能够提高用电效率和质量 , 具有高效节能和绿色环保的特点 , 是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术 。
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IGBT是以GTR为主导元件 , MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件 。其外部有三个电极 , 分别为G-栅极 , C-集电极 , E-发射极 。
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在IGBT使用过程中 , 可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小 , 从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制 。
1)当IGBT栅-射极加上加0或负电压时 , MOSFET内沟道消失 , IGBT呈关断状态 。
2)当集-射极电压UCE<0时 , J3的PN结处于反偏 , IGBT呈反向阻断状态 。
3)当集-射极电压UCE>0时 , 分两种情况:
若栅-射极电压UGE<Uth , 沟道不能形成 , IGBT呈正向阻断状态 。
若栅-射极电压UGE>Uth , 栅极沟道形成 , IGBT呈导通状态(正常工作) 。此时 , 空穴从P+区注入到N基区进行电导调制 , 减少N基区电阻RN的值 , 使IGBT通态压降降低 。
IGBT各世代的技术差异
回顾功率器件过去几十年的发展 , 1950-60年代双极型器件SCR,GTR,GTO , 该时段的产品通态电阻很小;电流控制 , 控制电路复杂且功耗大;1970年代单极型器件VD-MOSFET 。但随着终端应用的需求 , 需要一种新功率器件能同时满足:驱动电路简单,以降低成本与开关功耗、通态压降较低 , 以减小器件自身的功耗 。1980年代初,试图把MOS与BJT技术集成起来的研究 , 导致了IGBT的发明 。
1985年前后美国GE成功试制工业样品(可惜后来放弃) 。自此以后 , IGBT主要经历了6代技术及工艺改进 。
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从结构上讲 , IGBT主要有三个发展方向:
1)IGBT纵向结构:非透明集电区NPT型、带缓冲层的PT型、透明集电区NPT型和FS电场截止型;
2)IGBT栅极结构:平面栅机构、Trench沟槽型结构;
3)硅片加工工艺:外延生长技术、区熔硅单晶;
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其发展趋势是:①降低损耗 ②降低生产成本
总功耗= 通态损耗 (与饱和电压 VCEsat有关)+开关损耗 (Eoff Eon) 。同一代技术中通态损耗与开关损耗两者相互矛盾,互为消长 。
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