绝缘栅双极晶体管（IGBT 或 IGBT）。方案、说明

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绝缘栅双极晶体管 (IGBT) （英文缩写 IGBT - 隔离栅双极晶体管）是一种在输入端具有场效应晶体管、在输出端具有双极晶体管的半导体器件。

这些组合之一如图 7.4 所示。 XNUMX. 该器件通过双极晶体管 E（发射极）和 C（集电极）的输出引入电源电路，并通过输出 G（栅极）引入控制电路。

因此，IGBT 具有 三个外部端子：发射极、集电极、栅极。发射极和漏极 (D)、基极和源极 (S) 连接均在内部。将两个器件组合在一种结构中，可以结合场效应晶体管和双极晶体管的优点：高输入电阻、高电流负载和低导通电阻。

绝缘栅双极晶体管（IGBT 或 IGBT）
米。 7.4. 选择之一是导通状态下 IGBT 结构中的电流负载和低电阻。

IGBT结构

IGBT 结构剖面示意图如图 7.5 所示。 7.5。双极晶体管（图XNUMX，a）由p+（发射极）、n（基极）、p（集电极）层组成；场层n（源极）、n+（漏极）和金属板（栅极）。 p+ 和 p 层具有电源电路中包含的外部引线。快门具有包含在控制电路中的输出。

图上。 7.5, b 显示 第XNUMX代IGBT结构，根据“凹进式”沟道技术（trench-gate technology）制作，可以消除p基极间的电阻，使器件尺寸缩小数倍。

绝缘栅双极晶体管（IGBT 或 IGBT）
米。 7.5。 IGBT结构：a——标准晶体管的结构； b- 使用沟槽栅极技术创建的晶体管结构

工作原理及特点

包容过程 IGBT可分为两个阶段：

第1阶段——在栅极和源极之间施加正电压后，场效应晶体管打开（源极和漏极之间形成n沟道）；
第 2 阶段 - 电荷从 n 区到 p 区的移动导致双极晶体管打开，并出现从发射极到集电极的电流。

因此， 场效应晶体管控制双极的操作。对于完全导通状态下标称电压在 600-1200 V 范围内的 IGBT，以及双极晶体管，正向压降在 1,5-3,5 V 范围内。

这明显低于具有相同额定电压的导电功率 MOSFET 的典型压降。

另一方面，标称电压为 200 V 及以下的 MOSFET 具有比 IGBT 更低的通态电压，并且在低工作电压和高达 50 A 的开关电流下在这方面保持无与伦比的优势。

就速度而言，IGBT 不如 MOSFET，但明显优于双极型。典型的 再吸收时间值 IGBT 关断时的累积电荷和电流降分别在 0,2-0,4 和 0,2-1,5 µs 范围内。

安全工作区 对于额定电流为数百安培的模块，IGBT 可以成功地确保其可靠运行，而无需使用额外的电路来形成频率为 10 至 20 kHz 的开关路径。根据达林顿电路连接的双极晶体管不具备这样的品质。

正如分立 MOSFET 在高达 500V 的开关电源中取代了双极 MOSFET 一样，分立 IGBT 在更高电压电源（高达 3500V）中也取代了双极 MOSFET。

IGBT模块

IGBT模块 根据内部接线图 可能代表：

单IGBT；
双模块（半桥），其中两个 IGBT 串联（半桥）；
斩波器，其中单个 IGBT 与二极管串联；
单相或三相电桥。

绝缘栅双极晶体管（IGBT 或 IGBT）
米。 7.6。 IGBT模块方案：a-单IGBT； b——双模块； c——集电极断路器（斩波器）； g——发射极断续器（斩波器）

在所有情况下，除断流器外，该模块均包含一个与每个 IGBT 并联的内置反激二极管。最常见的IGBT模块连接图如图7.6所示。 XNUMX。

单个元素和模块之间的主要区别

分立器件和高电流模块之间的主要区别在于它们与其他电路元件的电气连接方式。分立元件通过焊接连接到印刷电路板上的电路元件。

印刷电路板的触点连接中的电流最大值在稳态操作中通常不超过100A。这对并联组件的数量施加了自然的限制。另一方面，高电流模块具有螺丝端子。因此，它们可以连接到电缆接线片或直接连接到母线。大电流模块还可以通过通孔直接连接到PCB。

模块提供三个版本:

根据单键方案（MDTKI 系列）；
根据双密钥方案（M2TKI）；
根据电流中断器、斩波器（MTKID 系列）的方案。

晶体管由反激二极管分流，反激二极管是超快恢复软恢复二极管 (FRD)。

作者：Koryakin-Chernyak S.L.

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