关于IGBT的特性

IGBT，InsulatedGateBipolarTransistor，是一种复合全控电压驱动功率半导体器件由BJT（双极晶体管）和IGFET（绝缘栅场效应晶体管）组成。它兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降的优点。GTR的饱和电压降低，载流密度大，但驱动电流更大。MOSFET的驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT结合了以上两种器件的优点，驱动功率小，饱和电压降低。非常适合用于直流电压600V及以上的变流系统，如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动等领域。

IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极晶体管）和FWD（续流二极管）通过特定的电路桥封装而成的模块化半导体产品。封装后的IGBT模块直接应用于逆变器、UPS不间断电源等设备。IGBT模块具有节能、安装维护方便、散热稳定等特点。一般IGBT也指IGBT模块。随着节能环保等理念的推进，此类产品将在市场上越来越普遍。IGBT是能量转换和传输的核心器件，俗称电力电子器件的“CPU”，广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源设备等领域。

IGBT的特性

1、静态 VI 特性

下图显示了 n 沟道 IGBT 的静态 VI 特性以及标有参数的电路图，该图与 BJT 的图相似，只是图中保持恒定的参数是 VGE，因为 IGBT 是电压控制器件，而 BJT 是电流控制器件。

IGBT的静态特性图

当 IGBT 处于关闭模式时（VCE为正且 VGE 《 VGET），反向电压被 J 2 阻断，当它被反向偏置时，即 VCE为负，J 1 阻断电压。

2、开关特性

IGBT 是电压控制器件，因此它只需要一个很小的电压到栅极即可保持导通状态。

由于是单向器件， IGBT 只能在从集电极到发射极的正向切换电流。IGBT的典型开关电路如下所示，栅极电压 VG施加到栅极引脚以从电源电压 V+ 切换电机 （M）。电阻 Rs 大致用于限制通过电机的电流。

IGBT的典型开关电路图

下图显示了IGBT 的典型开关特性。

IGBT 的典型开关特性

导通时间（ t on）：通常由延迟时间 （t dn ） 和上升时间 （t r ） 两部分组成。

延迟时间 （t dn ）：定义为集电极电流从漏电流 ICE上升到 0.1 IC（最终集电极电流）和集电极发射极电压从 VCE下降到 0.9VCE的时间。

上升时间 （t r ）：定义为集电极电流从 0.1 IC上升到 IC以及集电极-发射极电压从 0.9V CE下降到 0.1 VCE的时间。

关断时间（ t off）：由三个部分组成，延迟时间 （t df ）、初始下降时间 （t f1 ） 和最终下降时间 （t f2 ）。

延迟时间 （t df ）：定义为集电极电流从 I C下降到 0.9 I C并且 V CE开始上升的时间。

初始下降时间 （t f1 ）：是集电极电流从 0.9 I C下降到 0.2 I C并且集电极发射极电压上升到 0.1 V CE的时间。

最终下降时间 （t f2 ）：定义为集电极电流从 0.2 I C下降到 0.1 I C并且 0.1V CE上升到最终值 V CE的时间。

关断时间公式

导通时间公式

3、输入特性

下图可以理解IGBT的输入特性。开始，当没有电压施加到栅极引脚时，IGBT 处于关闭状态，没有电流流过集电极引脚。

当施加到栅极引脚的电压超过阈值电压时，IGBT 开始导通，集电极电流 I G开始在集电极和发射极端子之间流动。集电极电流相对于栅极电压增加，如下图所示。

IGBT的输入特性图

4、输出特性

由于 IGBT 的工作依赖于电压，因此只需要在栅极端子上提供极少量的电压即可保持导通。

IGBT 与双极功率晶体管相反，双极功率晶体管需要在基极区域有连续的基极电流流动以保持饱和。IGBT 是单向器件，这意味着它只能在“正向”（从集电极到发射极）开关。

IGBT 与具有双向电流切换过程的 MOS 管正好相反。MOS管正向可控，反向电压不受控制。

在动态条件下，当 IGBT 关闭时， 可能会经历闩锁电流，当连续导通状态驱动电流似乎超过临界值时，这就是闩锁电流。

此外，当栅极-发射极电压低于阈值电压时，会有少量漏电流流过 IGBT ，此时，集电极-发射极电压几乎等于电源电压，因此，四层器件 IGBT 工作在截止区。

IGBT 的输出特性图

开IGBT 的输出特性分为三个阶段：

第一阶段：当栅极电压 VGE 为零时，IGBT 处于关断状态，这称为截止区。

第二阶段：当 VGE 增加时，如果它小于阈值电压，那么会有很小的漏电流流过 IGBT ，但I GBT 仍然处于截止区。

第三阶段：当 VGE增加到超过阈值电压时，IGBT 进入有源区，电流开始流过 IGBT 。如下图所示，电流将随着电压 VGE的增加而增加。