IGBT在交流和直流電路中的應(yīng)用

晶閘管是現(xiàn)代電子學(xué)中使用最多的元件，邏輯電路用于開關(guān)和放大。BJT和MOSFET是最常用的晶體管類型，它們每個(gè)都有自己的優(yōu)勢(shì)和一些限制。IGBT(絕緣柵雙極晶體管)將BJT和MOSFET的最佳部分結(jié)合到一個(gè)晶體管中。它具有MOSFET(絕緣柵極)的輸入特性(高輸入阻抗)和BJT(雙極性質(zhì))的輸出特性。

#1什么是IGBT?

What is IGBT?

IGBT或絕緣柵雙極晶體管是BJT和MOSFET的組合。它的名字也暗示了它們之間的融合?！敖^緣柵”是指MOSFET的輸入部分具有很高的輸入阻抗。它不吸收任何輸入電流，而是在其門端電壓上工作?！半p極”是指BJT的輸出部分具有雙極性質(zhì)，其中電流是由兩種類型的載流子引起的。它允許它處理非常大的電流和電壓使用小電壓信號(hào)。這種混合組合使IGBT成為電壓控制器件。

它是一種具有三個(gè)PN結(jié)的四層PNPN器件。它有三個(gè)終端門(G)，集電極(C)和發(fā)射極(E)。終端的名字也意味著取自兩個(gè)晶體管。柵極終端，因?yàn)樗禽斎氩糠郑∽訫OSFET，而集電極和發(fā)射極，因?yàn)樗鼈兪禽敵觯∽訠JT。

#2IGBT的建設(shè)

Construction of IGBT

IGBT由四層半導(dǎo)體構(gòu)成PNPN結(jié)構(gòu)。集電極(C)連接在P層上，發(fā)射極(E)連接在P層和N層之間。P+襯底用于構(gòu)建IGBT。在其上放置N層形成PN結(jié)J1。在N層上制備了兩個(gè)P區(qū)，形成PN結(jié)J2。P區(qū)是這樣設(shè)計(jì)的，以便在中間為柵極(G)電極留下一條路徑。如圖所示，N+區(qū)域擴(kuò)散在P區(qū)域上。

發(fā)射極和柵極是金屬電極。發(fā)射器直接連接到N+區(qū)域，而柵極則使用二氧化硅層進(jìn)行絕緣。堿性P+層向N層注入孔洞，這就是為什么它被稱為注入層。而N層稱為漂移區(qū)。其厚度與電壓阻斷能力成正比。上面的P層被稱為IGBT的主體。

所述N層被設(shè)計(jì)為具有在發(fā)射極和集電極之間通過在柵電極電壓影響下產(chǎn)生的溝道的電流流過的通路。

#3IGBT的等效結(jié)構(gòu)

Equivalent Structure of IGBT

我們知道IGBT是MOSFET的輸入和BJT的輸出的組合，它具有與n溝道MOSFET和PNP BJT在達(dá)靈頓配置中的等效結(jié)構(gòu)。漂移區(qū)的阻力也可以考慮在內(nèi)。

如果我們看一下上面IGBT的結(jié)構(gòu)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)電流流動(dòng)的路徑不止一條。電流路徑從集電極指向發(fā)射極。第一個(gè)路徑是“集電極，P+襯底，N-， P -發(fā)射極”。這個(gè)路徑已經(jīng)提到了在等效結(jié)構(gòu)中使用PNP晶體管。第二條路徑是“集電極，P+襯底，N-， P, N+，發(fā)射極”。為了包含這條路徑，必須在結(jié)構(gòu)中包含另一個(gè)NPN晶體管，如下圖所示。

#4IGBT的工作原理

FPC advantages and disadvantages

IGBT集電極(C)和發(fā)射極(E)的兩個(gè)端子用于導(dǎo)通電流，柵極(G)用于控制IGBT。它的工作原理是基于柵極-發(fā)射極和集電極-發(fā)射極之間的偏置。

將集電極-發(fā)射極連接到Vcc，使得集電極保持在比發(fā)射極高的正電壓。j1變成正向偏置，j2變成反向偏置。此時(shí)，柵極處沒有電壓。由于反向j2, IGBT保持關(guān)閉，沒有電流將在集電極和發(fā)射極之間流動(dòng)。

施加比發(fā)射極正的柵極電壓VG，由于電容作用，負(fù)電荷將在SiO2層正下方積聚。增加VG會(huì)增加電荷的數(shù)量，當(dāng)VG超過閾值電壓時(shí)，在p區(qū)上部最終形成一層電荷。該層形成N-通道，短化N漂區(qū)和N+區(qū)。

從發(fā)射極流出的電子從N+區(qū)流入N漂移區(qū)。而集電極上的空穴則從P+區(qū)注入到N漂移區(qū)。由于漂移區(qū)中電子和空穴的過量，使其電導(dǎo)率增加，并開始傳導(dǎo)電流。因此，IGBT開關(guān)打開。

#5IGBT的類型

Types of IGBT

基于包含N+緩沖層的IGBT有兩種類型。這個(gè)額外層的包含將它們分為對(duì)稱的和不對(duì)稱的IGBT。

1Punch through IGBT

打通IGBT

通過IGBT打孔包括N+緩沖層，由于它也被稱為不對(duì)稱IGBT。它們具有不對(duì)稱的電壓阻斷能力，即它們的正向和反向擊穿電壓是不同的。它們的反向擊穿電壓小于正向擊穿電壓。它具有更快的切換速度。

通過igbt的穿孔是單向的，不能處理反向電壓。因此，它們被用于直流電路，如逆變器和斬波電路。

2Non Punch through IGBT

不通過IGBT打孔

由于沒有額外的N+緩沖層，它們也被稱為對(duì)稱IGBT。結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性提供了對(duì)稱的擊穿電壓特性，即正向擊穿電壓和反向擊穿電壓相等。由于這個(gè)原因，它們被用于交流電路中。

#6IGBT的V-I特性

V-I Characteristics of IGBT

與BJT不同，IGBT是一種電壓控制器件，其柵極只需要一個(gè)小電壓來控制集電極電流。然而，柵極-發(fā)射極電壓VGE需要大于閾值電壓。

IGBT的傳輸特性顯示了輸入電壓VGE與輸出集電極電流IC的關(guān)系，當(dāng)VGE為0v時(shí)，沒有IC，設(shè)備保持關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)VGE略有增加但保持在閾值電壓VGET以下時(shí)，器件保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，但存在漏電流。當(dāng)VGE超過閾值時(shí)，I-C開始增加，設(shè)備上電。因?yàn)樗且粋€(gè)單向裝置，所以電流只向一個(gè)方向流動(dòng)。

該圖顯示了不同電壓梯度下集電極電流與集電極-發(fā)射極電壓的關(guān)系。在VGE < VGET時(shí)，IGBT處于截止模式，IC在任何VCE都= 0。當(dāng)VGE > VGET時(shí)，IGBT進(jìn)入主動(dòng)模式，IC隨著VCE的增加而增加。此外，對(duì)于VGE1 < VGE2 < VGE3的每個(gè)VGE, IC是不同的。

反向電壓不應(yīng)超過反向擊穿極限。正向電壓也是。如果它們超過各自的擊穿限制，不受控制的電流開始通過它。

General Comparison with BJT and MOSFET

與BJT和MOSFET的一般比較

正如我們上面所討論的，IGBT采用了BJT和MOSFET的最佳部分。因此，它在幾乎所有方面都是優(yōu)越的。以下是IGBT、BJT和MOSFET的一些特性對(duì)比圖。我們正在比較功率器件的最大性能。

#7IGBT的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

Advantages&Disadvantages of IGBT

1Advantages

優(yōu)點(diǎn)

IGBT整體上具有BJT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)。

●具有更高的電壓和電流處理能力

●有很高的輸入阻抗

●可以用非常低的電壓切換非常大的電流

●是電壓控制的，即它沒有輸入電流和低輸入損耗

●柵極驅(qū)動(dòng)電路簡單、便宜

●可以很容易地通過施加正電壓開關(guān)開，并通過施加零或輕微負(fù)電壓開關(guān)關(guān)

●具有非常低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻

●具有高電流密度，使其具有更小的芯片尺寸

●具有比BJT和MOSFET更高的功率增益

●具有比BJT更高的開關(guān)速度

2Disadvantages

缺點(diǎn)

●具有比MOSFET更低的開關(guān)速度

●是單向的，不能反向傳導(dǎo)

●不能阻擋更高的反向電壓

●比BJT和MOSFET貴

●由于PNPN結(jié)構(gòu)類似晶閘管，存在鎖存問題

#8IGBT的應(yīng)用

Applications of IGBT

IGBT在交流和直流電路中有許多應(yīng)用。以下是IGBT的一些重要應(yīng)用。

●用于SMPS(開關(guān)模式電源)中，為敏感的醫(yī)療設(shè)備和計(jì)算機(jī)供電

●適用于UPS(不間斷電源)系統(tǒng)

●用于交流和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供速度控制

●用于斬波器和逆變器

●用于太陽能逆變器