8电力电子器件知识讲座_八_绝缘栅双极型晶体管_IGBT_二_乔恩明
双极型晶体管知识讲座
双极型晶体管知识讲座大家好，今天我想给大家讲一下双极型晶体管的知识。
双极型晶体管是一种常见的晶体管器件，也是现代电子技术中非常重要的一部分。
它由两个PN结组成，其中一段是N型材料，另一段是P型材料。
这两个节电之间的区域称为基区。
首先，我们来讨论一下P型材料。
P型材料是由掺入一些三价元素（如硼）形成的，这些元素减少了材料中自由电子的数量，同时增加了正电荷的载流子（空穴）的数量。
在P型材料中，有大量的正电荷载流子，而几乎没有自由电子。
接下来，我们来讨论一下N型材料。
N型材料是由掺入一些五价元素（如磷）形成的，这些元素增加了材料中自由电子的数量，同时减少了正电荷的载流子（空穴）的数量。
在N型材料中，有大量的自由电子，而几乎没有正电荷载流子。
当P型材料和N型材料通过PN结连接在一起时，一个重要的现象就出现了，那就是电子和空穴会互相扩散。
这种现象被称为扩散效应。
当电子和空穴扩散到PN结的对面时，电位差会发生改变，从而形成了一个电场。
这个电场被称为内建电场。
当我们给PN结提供一个外部电压时，就可以改变内建电场的强度。
当外部电压为正时，也就是正向偏置，内建电场会被削弱，电子和空穴可以很容易地通过PN结相互扩散。
这时，PN结的电阻会变得非常小，电流可以流过PN结，晶体管就处于导通状态。
相反地，当外部电压为负时，也就是反向偏置，外部电压会增强内建电场，从而阻止电子和空穴扩散。
这时，PN结的电阻会变得非常大，电流无法流过PN结，晶体管就处于截止状态。
通过控制基区的电压，我们可以控制晶体管的工作状态，从而实现信号的放大和开关控制。
双极型晶体管在现代电子电路中广泛应用，如放大器、开关电路、振荡器等。
总结一下，双极型晶体管是一种由PN结组成的器件。
它通过控制基区的电压来控制晶体管的工作状态。
在正向偏置下，晶体管导通；在负向偏置下，晶体管截止。
双极型晶体管在电子电路中扮演着重要的角色，为我们的现代科技奠定了坚实的基础。
谢谢大家！双极型晶体管（BJT）广泛应用于电子行业中，在多种电子电路中都扮演着关键角色。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(五)
为 低 电 平 时 ，Ａ点 为高 电平 ，晶 体 管Ｖ 向偏 置 Ｔ正 导通 ，晶体管 Ｖ ２ 止 ，负偏 置 电压通 过 晶体 管Ｖ Ｔ截 Ｔ 和驱 动 电阻Ｒ 加到 Ｉ Ｂ 上 驱 动栅 极 ，使Ｉ Ｂ 关 断 。 Ｇ ＧＴ ＧＴ 同时 ，为 了 消除 可 能 出现 的栅 极 电压 的振荡 现 象 ． 在Ｉ Ｂ 的栅 极 和发 射 极 之 间 并 联 了一个 冗 阻尼 电 ＧＴ 路。
检 测 。对 Ｉ Ｂ 而 言 ，常用 的过 电流 检测 方 法有 两 ＧＴ
６２ Ｉ Ｂ 的保 护 电路和 缓冲 电路 ． Ｇ Ｔ
种 ：电流 传感 器检测 法 与Ｉ Ｂ 的饱 和压降 检测法 。 ＧＴ
电力 电 子 电 路 工作 时 ，由 于外 部 原 因或 操 作
① 电流传感器检测法 通过在 电路中加入 电流
体 管 Ｖ 关 断 ，在 正 电源 的作 用 下 ，经 过 电 阻 ， Ｆ
晶体 管Ｖ ２ Ｔ 的基极 一 发射 极 有 了偏 置 电流 ，Ｖｒ 速 ｒ迅 ２ 导 通 ，经过 栅 极 驱 动 电 阻Ｒ ，Ｉ Ｂ 得 到正 偏 置 电 。 ＧＴ 压 而 导 通 。 当 为低 电平 时 ，发 光 二极 管 上 没 有 电流 流过 。作 用 过程 相 反 ，Ｖ Ｔ导通 使 得Ｖｒ 通 ， ｒ导 ３
传 感 器 ，通 过 检 测 电路 中 的 电流 ，判 断Ｉ Ｂ 是 否 ＧＴ 过 电 流 。通过 此 方 法 可 以对 电路 的 各 种 短 路 状态 进 行 检 测 和 区分 ，从 而 根 据 不 同 的短 路 状 态 采 取 不 同 的保 护 策 略 。减 小 由 于 电路 异 常 所 造 成 的损
一
一 一
绝缘栅双极晶体管的基本知识
绝缘栅双极晶体管的基本知识绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）是一种广泛应用于电力电子领域的半导体器件。
它集结了绝缘栅场效应晶体管（MOSFET）和双极晶体管（BJT）的优点，具备高电压承受能力和低导通电阻的特点。
本文将从IGBT的结构、工作原理、特性以及应用等方面进行介绍。
一、结构IGBT的结构主要包括N型衬底、P型注入区、N型漏极、绝缘栅等关键部分。
其中，P型注入区与N型衬底之间存在PN结，形成双极晶体管的集电极和基极，而绝缘栅则位于P型注入区与N型漏极之间，起到控制电流的作用。
二、工作原理IGBT的工作原理可以分为导通状态和截止状态两种情况。
1. 导通状态：当绝缘栅施加正电压时，形成N型衬底、P型注入区和N型漏极之间的导电通道。
此时，绝缘栅形成的电场将控制电子和空穴的浓度，使其在P型注入区和N型漏极之间形成导电通道，从而使电流能够流经器件。
2. 截止状态：当绝缘栅施加负电压时，P型注入区和N型漏极之间形成一个反向偏置的二极管结，导致电流无法通过。
三、特性IGBT具有以下几个特点：1. 高电压承受能力：IGBT可承受较高的电压，通常达到600V以上，甚至可以达到数千伏。
2. 低导通电阻：相比于MOSFET，IGBT的导通电阻较低，能够承受更大的电流。
3. 开关速度较慢：由于IGBT的结构特点，其开关速度相对较慢，限制了其在高频率应用中的使用。
四、应用IGBT广泛应用于电力电子领域，其中包括：1. 变频器：IGBT可用于交流电机驱动，实现调速控制，提高能源利用效率。
2. 逆变器：IGBT在逆变器中起到将直流电转换为交流电的作用，被广泛应用于太阳能发电、风力发电等领域。
3. 电力传输：IGBT可用于电网输电线路的开关控制，提高电力传输效率。
4. 汽车电子：IGBT在电动汽车、混合动力汽车等领域中，用于驱动电机和控制电能流动。
五、总结绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为一种集MOSFET和BJT优点于一身的半导体器件，在电力电子领域具有广泛的应用前景。
电力电子器件知识讲座(八)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(二)
电压
与集 电极 电流， 积 的积分 为Ｉ Ｂ 每 开通 一次 所损 ｃ 乘 ＧＴ 耗 的 能 量 。开通 损 耗 随 电流 增 加 而 增 加 ，如 图 １ ５
所示。
３６ Ｇ Ｔ ． Ｉ Ｂ 的损耗 特性
ｌ Ｂ 在 开 关过 程 并 不 是 瞬 间完 成 的 ，而 是 需 ＧＴ
收 稿 Ｅ 期 ：０ １ ０ － ６ ｔ ２ １ — ６ ０
撇 艏 增
在 Ｉ Ｂ 芯 片 中 ，各个 不 同 电极 之 间都 有 一 定 ＧＴ
可 以看 出 ，随 着 驱动 电阻 的增加 ，Ｉ Ｂ 的 等效 寄 ＧＴ
驱 动 电阻尺 ／ 。Ｑ
一
生 电容 有减小 的趋 势 。
图 １ Ｉ Ｔ￣ 电 容 示 意 图 ４ ＧＢ
汗 扯
一
（ｃ ０ ｆ ｌ Ｕ ￣ Ｖ， ＝ ＭＨｚ ＝ ５ ＝ ， ２ ℃）
利 用 电导 调 制 效 应 ， 因此 Ｉ Ｂ 的饱 和 压 降 较 小 ， ＧＴ 约 为 １ ￣ Ｖ。Ｉ Ｂ 的饱 和压 降 ＵＥｆ ．３ ５ ＧＴ Ｃｓ ａ ｌ １与集 电极 电
Ｉ Ｂ 每关 断 一 次 所 损 耗 的 能量 。关 断损 耗 取 决 于 ＧＴ Ｉ Ｂ 的 关 断 特 性 设 计 ， 与饱 和 压 降有 折 中关 系 。 ＧＴ 由 于Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ的关 断 与 内部 寄 生 晶 体 管 的关 断 有 关 ， 因此 与功率 ＭＯ Ｆ Ｔ 比 ，关 断 时 间较 长 ，Ｉ Ｂ 的 ＳＥ 相 ＧＴ
咆 咆 画静细砜国磨 （ 八ｌ
一绝
缘 栅 双 极 型 晶 体 管 （ Ｂ ）二 Ｉ Ｔ （） Ｇ
供 乔 恩 明 薛玉 均 刘 敏 （ 稿 ）
及 一 童
（ 上接 第１ 期 第５ 页） ０ ６
IGBT绝缘栅双极型晶体管
结构发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。
附于漏注入区上的电极称为漏极。
IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给NPN晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。
反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。
IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。
三菱制大功率IGBT模块工作特性静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。
它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。
在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。
如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。
IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。
它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。
在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs 呈线性关系。
最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。
IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。
尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。
此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。
2电力电子器件知识讲座_二_快速功率二极管_乔恩明
【编者按】电力电子器件是半导体功率器件的总称，是构成电力电子设备的基础，是从事电力电子器件设计、研发、生产、营销和应用人员以及电源技术工作者应该熟悉的内容。
本刊从今年4月份开始以“电力电子器件知识”为题开展讲座，以满足广大读者增长知识和用好这些器件的需求。
欢迎厂家及用户的工程师们撰稿，并望提出宝贵意见。
电力电子器件知识讲座(二)快速功率二极管武汉雷升电子公司乔恩明(供稿)本刊编辑部张乃国(改编)收稿日期：2011-03-06二极管是一种由PN 结构成的两端器件。
功率二极管是一种PN 结面积比较大的二极管(一般指电流容量在1A 以上的二极管)，多用硅材料做成。
它分为低频功率二极管和高频功率二极管。
低频功率二极管主要用于50Hz 电源整流，高频功率二极管主要用于高频整流电路、传递无功功率的续流电路和功率开关的缓冲电路。
目前比较成熟的产品有PN 型、PIN 型快速恢复二极管和功率肖特基二极管。
1快速功率二极管工作原理1.1结构与工作原理二极管的核心是PN 结，PN 结最基本的特性是单向导电性。
因此二极管最适于做成将交流电变为直流电的整流二极管。
二极管的图形符号如图1(a)所示，PN 结的P 端引线称为阳极A ，PN 结的N 端引线称为阴极K 。
当二极管(即PN 结)接上正向电压(简称正偏)时，即阳极A (P)接电源正端，阴极K (N)接电源负端，二极管导电，电流从A (P)流至K (N)；当二极管即PN 结接上反向电压(简称反偏)时，A (P)接电源负端，K (N)接电源正端，二极管不导电(简称截止或阻断)。
(1)正向接法二极管的正向接法见图1(b)，PN 结外加电压所产生的外电场EC 与内电场Ei 方向相反，因此PN 结的内电场被削弱。
其PN 结等效正向电阻很小，管子两端正向电压降仅约1V 左右(大电流硅半导体电力二极管超过1V ，小电流硅二极管仅0.7V ，锗二极管约0.3V)。
这时的二极管在电路中相当于一个处于导通状态(通态)的开关。
怎么理解绝缘栅双极型晶体管
怎么理解绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管是一种重要的电子器件，它在电子电路中具有广泛的应用。
本文将从多个角度对绝缘栅双极型晶体管进行解析，以帮助读者更好地理解这一器件的原理和特性。
一、绝缘栅双极型晶体管的基本结构和工作原理绝缘栅双极型晶体管由三个区域组成，分别是发射区、基区和集电区。
其中，基区与发射区通过绝缘栅隔离，从而使得绝缘栅双极型晶体管具有了与普通双极型晶体管不同的特性。
绝缘栅双极型晶体管的工作原理是基于PN结的导电特性。
当在绝缘栅上施加正向偏置电压时，绝缘栅与发射区之间的势垒被打破，发射区的电子就会注入到基区中。
这样，基区就会形成一个电子多数载流子的区域，而发射区则成为一个电子少数载流子的区域。
当在集电区施加正向偏置电压时，电子就会从基区进一步注入到集电区，从而形成电流。
二、绝缘栅双极型晶体管的特性和应用1. 高输入电阻：绝缘栅双极型晶体管的绝缘栅与基区之间存在着绝缘层，因此绝缘栅双极型晶体管具有很高的输入电阻，可以减小输入电路的负载效应，提高电路的灵敏度。
2. 低输出电阻：绝缘栅双极型晶体管的集电区电流增大时，由于电子注入的增加，集电区的电导率也会增加，从而降低了输出电阻，提高了电路的输出功率。
3. 快速开关速度：绝缘栅双极型晶体管具有快速的开关速度，可以实现高频率的信号放大和开关控制。
这使得它在射频放大器、频率合成器和通信系统中得到广泛应用。
4. 小型化和集成化：由于绝缘栅双极型晶体管的特殊结构，它可以实现微小尺寸的制造，从而有利于集成电路的小型化和高集成度。
绝缘栅双极型晶体管在电子电路中有着广泛的应用。
例如，在放大电路中，它可以用作低噪声放大器、功率放大器和运算放大器等。
在开关电路中，它可以用于数字逻辑门、触发器和计数器等。
此外，由于绝缘栅双极型晶体管的特殊性能，它还被广泛应用于射频通信、无线传感器网络和医疗器械等领域。
三、绝缘栅双极型晶体管的发展趋势和挑战随着科技的不断进步，绝缘栅双极型晶体管也在不断发展和演进。
绝缘栅双极晶体管(IGBT)
2 通态 压降
导通状态时集电极和发射极之间的 管压降。
在小电流段的1/2额定电流以下通态压降具有负温 度系数，在1/2额定电流以上通态压降具有正温度 系数，因此IGBT在并联使用时具有电流自动调节 能力。
电力电子器件概述
擎住效 应
IGBT管中由驱动电压UGE控制 IC大到一定的程度时，IGBT中 寄生的NPN和PNP晶体管处于 饱和状态，栅极G失去对集电 极电流IC的控制作用。
导通压降也很小。
与GTO类似，IGBT能够被设计承受一定的反向
压降。
电力电子器件概述
1.2 绝缘栅双极晶体管（IGBT）的主要参数
1 最大集射 极间电压
UCEM
IGBT在关断状态时集电极和发 射极之间能承受的最高电压。
IGBT的耐压可以做得较高，最大允许电压UCEM可 达4500V以上。
电力电子器件概述
6 输入 阻抗
电力电子器件概述
IGBT的输入阻抗高，可达 109~1011Ω数量级，呈纯电容性， 驱动功率小。
7 最高允 许结温
TJM
IGBT的最高允许结温TJM为 150℃。IGBT的通态压降在室温 和最高结温之间变化很小，具有 良好的温度特性。
电力电子技术的基本概况来自集电极电流值超过ICM时，IGBT产生擎住效应。 IGBT在关断时电压上升率duCE/dt太大将产生擎住
效应。
3 集电极 电流最大 值ICM
电力电子器件概述
器件出厂时必须规定集电极电流 值超过ICM，以及在此相应的栅 极-发射极最大电压UCEM。
4 最大集 电极功耗
PCM
在正常工作温度下允许的最 大耗散功率。
电力电子技术的基本概况
电力电子器件概述
,绝缘栅双极型晶体管
,绝缘栅双极型晶体管
摘要：
1.绝缘栅双极型晶体管的概念与结构
2.绝缘栅双极型晶体管的工作原理
3.绝缘栅双极型晶体管的特点与应用
4.绝缘栅双极型晶体管的发展趋势
正文：
绝缘栅双极型晶体管（简称IGBT）是一种高反压大电流器件，它是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
IGBT 兼具MOSFET 的高输入阻抗和双极型晶体管的低导通压降两方面的优点，具有较高的开关速度和较低的导通损耗，常用于大功率放大输出、电磁炉等应用。
IGBT 的工作原理是通过控制MOS 管的栅极，再由MOS 管控制晶体管的通断。
当MOS 管的栅极施加正向电压时，MOS 管导通，晶体管也随之导通；当MOS 管的栅极施加负向电压时，MOS 管截止，晶体管也随之截止。
这样，通过控制MOS 管的栅极电压，可以实现对晶体管的控制，从而达到开关电路的目的。
绝缘栅双极型晶体管具有以下特点：
1.高反压：由于晶体管的集电极和发射极之间有较高的反压，使得IGBT 可以承受较高的电压。
2.大电流：IGBT 具有较大的电流容量，可以承受较大的电流。
3.高开关速度：IGBT 的开关速度较高，可以实现高频率的开关操作。
4.低导通压降：IGBT 的导通压降较低，可以降低能耗和导通损耗。
随着科技的发展，绝缘栅双极型晶体管的应用领域不断扩大，包括新能源、工业控制、家用电器等领域。
绝缘栅双极型晶体管工作原理
绝缘栅双极型晶体管工作原理绝缘栅双极型晶体管，听起来有点高大上，其实它就像一位舞台上的明星，既能独当一面，又能与其他演员配合得天衣无缝。
想象一下，在电路的世界里，它就像个神奇的开关，能在瞬间把电流导入或切断。
平常说的电流，就像是马路上的车辆，流动起来的时候，一切都井然有序，但如果遇上堵车，嘿，麻烦就来了。
那绝缘栅双极型晶体管（IGBT）到底是怎么工作的呢？它有个超厉害的结构。
想象一下，一座高楼，最上面有个阳台，阳台上有个小门，这个小门就是“栅极”。
它负责控制“楼里”的大批电流。
这楼里有电流“公寓”，一进一出，各种电流在这里忙得不可开交。
有了这个小门，电流就能听从指挥，谁进谁出，完全看这个栅极的心情。
我们来聊聊栅极的工作。
它有个特别的地方，就是不需要直接连接电流。
就像魔法一样，只要给栅极施加一个小小的电压，它就能“喊”电流过来。
电流像听话的小孩，听到指令就乖乖地涌动过来，简直是太神奇了！不过，栅极可不是随便就能控制的，得讲究技巧。
要是施加的电压不够，电流就不愿意配合，那就尴尬了。
再来说说这小门的“材料”。
绝缘层就像是它的保护罩，确保了电流不随便乱跑。
要知道，这保护罩是多么重要，稍不留神，电流就可能打破规则，产生短路，那就麻烦大了。
正因为有了这个绝缘层，IGBT才能在高电压和大电流的环境下，依然稳稳当当地工作。
IGBT不仅仅是个开关，它的应用可广泛了。
比如，咱们日常见到的电动汽车和风力发电机里，IGBT都是个大忙人。
它们帮助电能转化、调节，确保一切运转如飞。
再比如，咱们的冰箱、空调，里面的电路都有它的身影，真是家庭的“隐形英雄”。
如果我们进一步深入，IGBT的速度也让人惊叹。
它的开关速度可不是一般的快，像风一样迅捷，瞬间就能切换。
想想，开关电源的时候，简直跟开赛车一样刺激。
这速度让它能轻松应对各种负载变化，绝对是电力系统的“超级英雄”。
不过，IGBT也有小脾气。
长时间工作会让它发热，就像人在阳光下晒久了会中暑一样。
绝缘栅双极型晶体管及应用进行讨论
绝缘栅双极型晶体管及应用进行讨论绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种功能强大的功率器件，广泛应用于各种电力和电子系统中。
它结合了双极型晶体管(BJT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的优点，具有高电压、高电流和高功率的能力。
首先，我们来讨论IGBT的结构。
IGBT由NPN型双极型晶体管和P型MOSFET组成，其中双极型晶体管负责控制电流，MOSFET负责控制电压。
IGBT的基极连接双极型晶体管的集电极，发射极连接双极型晶体管的基极，而栅极连接MOSFET的栅极。
这种结构使得IGBT既能够实现高电流放大能力，又能够通过栅极控制电流。
IGBT的工作原理是这样的：当栅极施加正电压时，栅极结与源结之间产生正向偏压，导致P型基区形成大量的N型电子，使得NPN型双极型晶体管处于导通状态。
通过控制栅极电压的大小，可以精确地控制双极型晶体管的导通程度，从而控制电流的大小。
当栅极电压为零或负电压时，IGBT处于截止状态，不导通电流。
这种特性使得IGBT可以用作开关器件，在高功率应用中实现快速的开关操作。
IGBT具有许多应用领域，特别是在电力电子和电力系统中。
一种主要的应用是电力转换器，用于将直流电转换为交流电或反过来。
IGBT可以承受高电压和高电流，因此非常适合于这些高功率转换应用。
此外，IGBT还用于电机驱动器，用于控制电动机的速度和转向。
IGBT的快速开关能力使电机驱动系统更加高效，减少能量损耗。
此外，IGBT还常用于电力系统中的静态无功补偿(SVC)和静态同步补偿(STATCOM)系统中。
这些系统用于实现电网的功率因数校正和电压调节。
IGBT的快速开关特性和高电压能力使得它在这些动态补偿系统中非常有用。
总的来说，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种能够高效控制功率的器件。
它结合了双极型晶体管和MOSFET的优点，具有高电压、高电流和高功率的能力。
IGBT广泛应用于电力电子和电力系统中，如电力转换器、电机驱动器、静态无功补偿和静态同步补偿系统等。
《绝缘栅双极晶体管》课件
《绝缘栅双极晶体管 》ppt课件
REPORTING
目录
• 引言 • 绝缘栅双极晶体管概述 • 绝缘栅双极晶体管的应用 • 绝缘栅双极晶体管的优缺点 • 绝缘栅双极晶体管的发展趋势与未来展望 • 结论
PART 01
引言
课程背景
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是 一种广泛应用于电力电子领域的
应用前景展望
我对绝缘栅双极晶体管在未来的发展趋势和应用 前景有了更清晰的认知。
实践与应用建议
实验操作
建议提供更多关于绝缘栅双极晶体管的实验操作机会，以加深理 论知识的理解。
实际应用案例分析
引入更多实际应用案例，帮助学生更好地理解其应用场景和优势。
持续学习与更新
鉴于技术发展迅速，建议定期更新课件内容，以跟进最新的研究和 技术进展。
探讨IGBT的发展趋势和未 来挑战。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
PART 02
绝缘栅双极晶体管概述
定义与特性
总结词
绝缘栅双极晶体管是一种具有特殊结构的半导体器件，具有高耐压、大电流、 高速开关等特性。
详细描述
绝缘栅双极晶体管是一种复合晶体管，由一个绝缘栅场效应管和一个双极晶体 管组合而成。它具有高耐压、大电流、高速开关等特性，被广泛应用于电力电 子领域，如电机控制、开关电源等。
智能化和网络化
随着物联网、人工智能等技术的不断发展，未来的绝缘栅 双极晶体管将更加智能化和网络化，以适应各种智能化应 用的需求。
PART 06
结论
学习总结
内容理解
通过本次学习，我深入理解了绝缘栅双极晶体管 的基本原理、结构和工作机制。
知识体系建立
我掌握了绝缘栅双极晶体管在电子工程领域的重 要地位，以及与其他电子器件的关联。
IGBT绝缘栅双极型晶体管概述以及市场前景2024
IGBT绝缘栅双极型晶体管概述以及市场前景2024
IGBT绝缘栅双极型晶体管概述以及市场前景2024
一、IGBT绝缘栅双极型晶体管简介
IGBT绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）
是一种双极型晶体管，其结构由一个基极、一个集电极和一个绝缘栅组成。
绝缘栅双极型晶体管与普通的绝缘栅单极型晶体管有很多类似之处，而且
它们共同具有很高的电压承受能力、良好的功率密度、高可靠性以及低功
耗特性。
二、IGBT绝缘栅双极型晶体管市场前景
由于IGBT绝缘栅双极型晶体管的特点，用于智能家居、微网控制器、汽车电子、智能电表、新能源汽车驱动电源转换等领域会得到更多应用。
预计到2023，IGBT绝缘栅双极型晶体管市场将会迎来量价齐升的市
场环境。
另外，随着可再生能源的发展，IGBT绝缘栅双极型晶体管在新
能源汽车驱动电源转换上也有了更多应用，对双极型晶体管会提升需求。
此外，由于新能源汽车及智能家居的普及，IGBT绝缘栅双极型晶体管应
用范围也会随之延展，带来更多支持。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)基础与运用知识
IGBT基础与运用IGBT，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz 频率范围内。
理想等效电路与实际等效电路如图所示：IGBT 的静态特性一般用不到，暂时不用考虑，重点考虑动态特性（开关特性）。
动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取：IGBT的开通过程IGBT 在开通过程中，分为几段时间1.与MOSFET类似的开通过程，也是分为三段的充电时间2.只是在漏源DS电压下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和过程中增加了一段延迟时间。
在上面的表格中，定义了了：开通时间Ton，上升时间Tr和Tr.i除了这两个时间以外，还有一个时间为开通延迟时间td.on:td.on=Ton-Tr.iIGBT在关断过程IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。
第一段是按照MOS管关断的特性的。
第二段是在MOSFET关断后，PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放，造成漏极电流较长的尾部时间。
在上面的表格中，定义了了：关断时间Toff，下降时间Tf和Tf.i除了表格中以外，还定义trv为DS端电压的上升时间和关断延迟时间td(off)。
漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而总的关断时间可以称为toff=td(off)+trv十t(f)，td(off)+trv之和又称为存储时间。
从下面图中可看出详细的栅极电流和栅极电压，CE电流和CE电压的关系：从另外一张图中细看MOS管与IGBT管栅极特性可能更有一个清楚的概念：开启过程关断过程尝试去计算IGBT的开启过程，主要是时间和门电阻的散热情况。
C.GE 栅极-发射极电容C.CE 集电极-发射极电容C.GC 门级-集电极电容（米勒电容）Cies = CGE + CGC 输入电容Cres = CGC 反向电容Coes = CGC + CCE 输出电容根据充电的详细过程，可以下图所示的过程进行分析对应的电流可简单用下图所示：第1阶段：栅级电流对电容CGE进行充电，栅射电压VGE上升到开启阈值电压VGE(th)。
电力电子器件知识讲座(八) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(二)
电力电子器件知识讲座(八) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(二)乔恩明（供稿）;薛玉均（供稿）;刘敏（供稿）;张乃国（改编）
【期刊名称】《电子元器件应用》
【年(卷),期】2011(13)11
【摘要】电力电子器件是半导体功率器件的总称,是构成电力电子设备的基础,是从事电力电子器件设计、研发、生产、营销和应用人员以及电源技术工作者应该熟悉的内容。
本刊从今年4月份开始以"电力电子器件知识"为题开展讲座,以满足广大读者增长知识和用好这些器件的需求。
欢迎厂家及用户的工程师们撰稿,并望提出宝贵意见。
【总页数】5页(P54-57)
【关键词】电力电子器件;绝缘栅双极型晶体管;知识讲座;半导体功率器件;电力电子设备;器件设计;电源技术;工作者
【作者】乔恩明（供稿）;薛玉均（供稿）;刘敏（供稿）;张乃国（改编）
【作者单位】不详;《电子元器件应用》编辑部
【正文语种】中文
【中图分类】TN303
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刘敏;《电子元器件应用》编辑部;张乃国
3.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(二) [J], 乔恩明;薛玉均;刘敏;张乃国
4.电力电子器件知识讲座(九)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(三) [J], 乔恩明;薛玉均;刘敏;张乃国
5.电力电子器件知识讲座(十) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(四) [J], 乔恩明;薛玉均;刘敏;张乃国
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绝缘栅双极晶体管的原理
绝缘栅双极晶体管的原理绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）是一种强大的功率开关，具有MOSFET和双极晶体管的优点。
它结合了MOSFET的高输入电阻和低功率驱动需求以及双极晶体管的低导通电阻和高功率承载能力。
IGBT广泛应用于电力电子领域，如交流驱动、逆变器、变频器、电力变压器等。
IGBT的结构主要由P型、N型硅材料和三个控制区域构成，分别是漏极区、绝缘栅区和发射极区。
首先，IGBT的控制区域是绝缘栅区，其中有一个绝缘栅极层。
绝缘栅极由绝缘氧化物层、控制电极和金属连接层组成。
绝缘栅极主要负责控制漏极与源极之间的电流流动。
其次，IGBT的发射极区由N型区域构成，是电流的主要控制区域。
当正向电压施加在漏极上时，P型基区的电子与P型漂移区的空穴重新组合，形成一个N 型区域。
在正常工作条件下，IGBT处于关闭状态。
当绝缘栅极加上正向电压时，绝缘栅极下方的N型区域和P型漂移区产生内建电场。
这个电场将吸引P型漂移区的空穴向N型区域移动，形成一个名为空穴输运层（holes injection layer）的区域。
当发射极加上正向电压，空穴输运层的空穴将通过N型区域向漏极流动。
在这个过程中，N型区域的电子与空穴再次发生复合，形成一个N型输运层，其中的电子将通过N型纵向导通区流向漏极。
因此，IGBT可以形成一个NPN双极结构。
IGBT的导通过程是通过绝缘栅极的电压控制的。
当绝缘栅极处于低电平时（通常为零电压），N型输运层的电子将被吸引到绝缘栅极下的P型漂移区。
由于电子与空穴再次发生复合，电流无法流过N型区域，因此IGBT处于关断状态。
当绝缘栅极加上正向电压时，电子从N型输运层流向绝缘栅极，形成一个细弱的沟道。
这个沟道会引起N型输运层与P型漂移区之间的空间电荷区扩展，使得电流可以通过N型区域流向漏极。
当绝缘栅极施加足够的电压时，空间电荷区达到最大并且IGBT进入饱和导通状态。
怎么理解绝缘栅双极型晶体管
怎么理解绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管是一种常用的电子器件，其特点是具有高电流放大倍数和低输入电阻。
在现代电子技术中，绝缘栅双极型晶体管被广泛应用于各种电子设备中，如放大电路、开关电路和逻辑电路等。
本文将从晶体管的结构、工作原理、特性以及应用等方面对绝缘栅双极型晶体管进行详细介绍。
我们来看一下绝缘栅双极型晶体管的结构。
晶体管由三个区域组成，即发射区、基区和集电区。
发射区和集电区是N型材料，而基区是P型材料。
在基区与发射区之间有一层非导电的绝缘层，称为绝缘栅。
绝缘栅双极型晶体管的结构决定了其具有较高的绝缘性能和较低的漏电流。
绝缘栅双极型晶体管的工作原理是通过控制绝缘栅电压来调节晶体管的导电性。
当绝缘栅电压为0V时，绝缘栅双极型晶体管处于截止状态，没有电流通过。
当绝缘栅电压为正值时，绝缘栅双极型晶体管进入放大区，可以放大输入信号。
当绝缘栅电压为负值时，绝缘栅双极型晶体管进入饱和区，可以作为开关使用。
通过控制绝缘栅电压的大小，可以实现对晶体管的放大和开关控制。
绝缘栅双极型晶体管具有许多特性，其中最重要的是电流放大倍数。
电流放大倍数是指输出电流与输入电流之间的比值。
绝缘栅双极型晶体管的电流放大倍数较高，可以达到几十到几百倍。
这意味着绝缘栅双极型晶体管可以将微弱的输入信号放大成较大的输出信号，从而实现信号的增强。
除了电流放大倍数外，绝缘栅双极型晶体管还具有低输入电阻的特点。
输入电阻是指输入信号与输入电流之间的比值。
绝缘栅双极型晶体管具有较低的输入电阻，可以有效地接收输入信号。
这使得绝缘栅双极型晶体管在电子设备中的应用非常广泛。
绝缘栅双极型晶体管的应用非常广泛，包括放大电路、开关电路和逻辑电路等。
在放大电路中，绝缘栅双极型晶体管可以放大微弱的输入信号，使其达到可以被传感器或其他电子器件检测的程度。
在开关电路中，绝缘栅双极型晶体管可以作为开关，控制电路的通断。
在逻辑电路中，绝缘栅双极型晶体管可以实现逻辑运算，如与门、或门和非门等。
绝缘栅双极晶体管IGBT的特性完美版PPT
IGBT的动态特性-开通过程
开通延迟时间td(on)
电流上升时间tr
开通时间t tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。
a) 转移特性 b) 输出特性
on
tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。
IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))
u 的下降过程分为t 和t 两段。 IC与UGE间的关CE系(开启电压UGE(th))
U GEM
10% U GEM
90%
I
0
C
I CM
t d(on)
I CM tr
t d(off)
t tf
10% I CM 0
U CE
U
t on
CEM
t fi1
t fi2
t off
t
t fv1
t fv2
U CE(on)
O
t
IGBT开关过程
t
IGBT开关过程
IGBT的动态特性-关断过程
关断延迟时间td(off） 电流下降时间
关断时间toff
电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。
tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。 tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。
U GE 90% U GEM
fv1 fv2
tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。
t ——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； IGBT的动态特性-开通f过v程1
开通延迟时间td(on)
t ——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 绝缘栅降过程分为tfv1和tUfv2G两E 段。 IGBT的动态特性-9开0通%过U程 GEM 开通延迟时间td(on)
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收稿日期：2011-06-06【编者按】电力电子器件是半导体功率器件的总称，是构成电力电子设备的基础，是从事电力电子器件设计、研发、生产、营销和应用人员以及电源技术工作者应该熟悉的内容。
本刊从今年4月份开始以“电力电子器件知识”为题开展讲座，以满足广大读者增长知识和用好这些器件的需求。
欢迎厂家及用户的工程师们撰稿，并望提出宝贵意见。
电力电子器件知识讲座(八)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(二)乔恩明薛玉均刘敏（供稿）本刊编辑部张乃国(改编)3.5IGBT 的结电容特性在IGBT 芯片中，各个不同电极之间都有一定的寄生电容存在，IGBT 的等效结电容如图13所示。
其中，C ies 是指栅极与发射极之间的输入电容；C oes 是指集电极与发射极之间的输出电容；C res 是指集电极与栅极之间的反向传输电容。
这些电容的大小对驱动电路和缓冲电路的设计都非常重要。
图14所示为某型号IGBT 结电容的特性曲线。
由图中可以看出，随着驱动电阻的增加，IGBT 的等效寄生电容有减小的趋势。
3.6IGBT 的损耗特性IGBT 在开关过程并不是瞬间完成的，而是需要一定的时间，在这段时间内，电流电压将会有一段重叠时间，因而会产生一定的损耗。
IGBT 开通过程中，IGBT 承受的电压U CE 与集电极电流I C 存在重叠时间。
在重叠时间中，IGBT 承受的电压U CE与集电极电流I C 乘积的积分为IGBT 每开通一次所损耗的能量。
开通损耗随电流增加而增加，如图15所示。
IGBT 在关断过程中承受的电压U CE 与集电极电流I C 也存在重叠时间。
在关断过程的重叠时间中，图13IGBT结电容特性图14IGBT 结电容示意图(U GE =0V ，f =1MHz ，T j =25℃)(上接第10期第56页)doi:10.3969/j.issn.1563-4795.2011.11.017IGBT 承受的电压U CE 与集电极电流I C 乘积的积分为IGBT 每关断一次所损耗的能量。
关断损耗取决于IGBT 的关断特性设计，与饱和压降有折中关系。
由于IGBT 的关断与内部寄生晶体管的关断有关，因此与功率MOSFET 相比，关断时间较长，IGBT 的关断损耗特性如图16所示。
栅极驱动电阻对IGBT 的开关损耗有较大影响。
如图17所示，栅极电阻愈小，IGBT 的开关过程愈迅速，开通损耗和关断损耗就愈小。
但是，栅极电阻愈小，IGBT 开通过程的d i /d t 就愈大，IGBT 的内置二极管反向恢复损耗也愈大。
一般需要综合考虑合理选择驱动电阻。
IGBT 处于导通状态时，内部导通电阻和PN 结压降造成IGBT 在导通时有一定的饱和压降。
这个饱和压降使得IGBT 在导通时也存在一定的导通损耗，称之为通态损耗。
与MOSFET 不同，由于IGBT 利用电导调制效应，因此IGBT 的饱和压降较小，约为1.5~3V 。
IGBT 的饱和压降U CE(sat)与集电极电流I C 关系如图18所示。
在小电流情况下，U CE (sat)与I C 关系表现为负温度系数，即在相同的通态电流条件下，结温高时的IGBT 饱和压降要比结温低时的低；而大电流下，则表现为正温度系数。
原因是在小电流情况下，IGBT 导通时等效晶体管的PN 结压降等起支配作用，故具有负温度系数，而在大电流情况下，长基区电阻起支配作用，使得器件具有正温度系数。
综合通态损耗、开关损耗，IGBT 的总损耗为P t =U CE I C D +(E on +E off )f (2)式中，I C 为IGBT 导通时流过的电流；D 为IGBT 导通占空比；E on 和E off 分别为开通损耗和关断损耗；f 为开关频率。
图15IGBT 单次开通损耗特性图(V CC =600V ，U GE =±15V ，R G =5.6Ω)图16IGBT 单次关断损耗特性(V CC =600V ，U GE =±15V ，R G =5.6Ω)图17开关损耗与驱动电阻之间的关系(V CC =600V ，I C =100A ，U GE =±15V ，T j =125℃)图18IGBT 的饱和压降U CE(sat)与集电极电流I C 的关系(T j =125℃)3.7IGBT 的安全工作区IGBT 的安全工作区(Safe Operation Area ，SOA)是指在不损坏IGBT 的前提下，器件在开通或关断时，开关管集电极电流I C 和集电极-发射极电压U CE 所围成的一个区域。
根据导通和关断两个物理过程，对IGBT 定义了两个不同的安全工作区，分别是正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。
相对于功率MOSFET 而言，IGBT 有相对大很多的正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。
IGBT 开通时的正向偏置安全工作区(FBSOA)由集电极电流、集电极-发射极电压和集电极功耗三条边界极限包围而成。
最大集电极电流I CM 由避免IGBT 发生动态擎住效应而限制，最大集电极-发射极电压U CE 是由IGBT 中PN 结J 2所能承受的最大电压所限制，最大功耗则是由最高允许结温所决定。
器件导通时间越长，发热越严重，安全工作区则越窄，直流工作时导通时间最长，安全工作区最小，如图19所示。
IGBT 的反向偏置安全工作区(RBSOA)如图20所示。
它是由最大集电极电流、最大集电极-发射极间电压和允许的最大集电极-发射极电压上升率d U CE /d t 确定。
这个区域表示驱动电压为零或负值时，器件关断瞬态的限制区域。
随着IGBT 关断时集电极-发射极电压上升率d U CE /d t 增加，反向偏置安全工作区变窄。
为了反映IGBT 承受过载电流时的关断能力，引入短路安全工作区(Short Circuit SOA ，SCSOA)的概念，如图21所示。
图的实线部分为反向偏置安全工作区(RBSOA)，虚线部分表示短路安全工作区。
SCSOA 在集电极过载电流增大时有变窄的倾向，这点在设计时需要加以注意。
IGBT 可以在反向偏置安全工作区(RBSOA)连续、重复运行，但在短路安全工作区(SCSOA)只能单次运行或长时间间隔运行，主要用于短路保护。
在IGBT 的应用电路设计时，必须保证IGBT 在开通瞬间、关断瞬间以及短路瞬间，IGBT 的电压电流的运行轨迹(U CE －I C )全部落在对应的安全工作区内，否则器件就会损坏。
通常通过设计吸收电路，确保IGBT 的工作轨迹在安全工作区内。
4IGBT 的选择4.1绝缘栅双极晶体管IGBT 的识别绝缘栅双极晶体管(IGBT)是三极管和MOS -FET 的复合器件，具有下列优点：开关速度高，开关损耗小；在电压1000V 以上时，开关损耗只有普通三极管的1/10，与MOSFET 相当；在相同电压和额定电流时，安全工作区比三极管大，且具有耐脉冲电流冲击能力；通态压降比MOSFET 低，特别是在电流较大的区域；输入阻抗高，输入特性与MOSFET 类似；与MOSFET 和三极管相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时还可保持开关频率高的特点。
绝缘栅双极晶体管有三个电极：栅极G 、集电极C 和发射极E 。
电气图形符号如图22和图23所示。
图22(a)带续流二极管单元封装的IGBT 模块；图19IGBT 的正向偏置安全工作区(FBSOA)图20IGBT的反向偏置安全工作区图21短路安全工作区SCSOA(b)不带续流二极管单元封装的IGBT 模块；(c)带两个续流二极管的低端斩波器用IGBT 模块；(d)带两个续流二极管的高端斩波器用IGBT 模块；(e)带一个续流二极管的斩波器用IGBT 模块；(f)带一个续流二极管的斩波器用IGBT 模块；(g)带有阻塞二极管的斩波器用IGBT 模块；(h)带有阻塞二极管的斩波器用IGBT 模块；(i)续流二极管与IGBT 独立封装的斩波器用IGBT 模块；(j)带续流二极管两单元单桥封装的IGBT 模块；(k)带续流二极管两个独立封装的IGBT 模块；(l)两单元同时共栅与共发射极封装的IGBT 模块；(m)带有独立整流管的两单元同时共栅与共发射极封装的IG -BT 模块；(n)三单元同时共栅与共发射极封装的IGBT 模块；(o)四单元单相桥封装的IGBT 模块；(p)四单元两个独立半桥封装的IGBT 模块；(q)由不带续流二极管的IGBT 与独立整流管组成四单元封装的IGBT 模块；(r)单单元三相全控桥封装的IGBT 模块；(s)六单元三个独立桥臂封装的IGBT模块；(t)六单元三个独立共发射极和共集电极封装的IGBT 模块；(u)六单元三桥臂上端共集电极封装的IGBT 模块。
图23中：(a)三相整流桥与三相IGBT 逆变桥混合封装的IGBT 模块；(b)单相整流桥与三相IG -BT 逆变桥混合封装的IGBT 模块；(c)三相IGBT 逆变桥与IGBT 斩波管混合封装的IGBT 模块；(d)三相整流桥与三相IGBT 逆变桥及IGBT 斩波回路封装的IGBT 模块；(e)三相整流桥与IGBT 斩波管封装的IGBT 模块；(f)带有温度传感器的半桥IGBT 模块；(g)带有温度传感器的；(h)带有温度传感器的三相整流桥与IGBT 斩波管封装的IGBT 模块；(i)带有温度传感器的晶闸管半控桥与IGBT 斩波管混合封装的IGBT 模块；(j)带有温度传感器的三相整流桥与三相IGBT 逆变桥及IGBT 斩波回路封装的IGBT 模块；(k)带有温度传图22IGBT 模块内部电路结构图(一)(下转第60页)图23IGBT 模块内部电路结构图(二)感器的单相整流桥与三相IGBT 逆变桥IGBT 斩波回路封装的IGBT ；(l)带有温度传感器的单相整流桥与三相IGBT 逆变桥及电流互感器封装的IGBT 模块；(m)带有温度传感器的三相整流桥与三相IG -BT 逆变桥及IGBT 斩波回路、电流互感器封装的IG -BT 模块；(n)带有温度传感器的六单元三相全控桥及电流互感器封装的IGBT 模块。
(未完待续)闸管不导通，当磁铁靠近霍尔传感器时，双向晶闸管导通，灯泡亮，但当磁铁离开霍尔传感器时，双向晶闸管关断，灯泡就灭了。
如果想让磁铁离开霍尔传感器，双向晶闸管不关断，灯泡不灭，可以用双稳态输出(带锁存)的H1300开关型霍尔传感器代替A3144。
代替后，当磁铁的S 极靠近H1300有型号标志的一面时，双向晶闸管导通，且在磁铁离开后维持导通，只有当磁铁的N 极再靠近霍尔传感器有型号标志的一面时，双向晶闸管才关断。
开关型霍尔传感器还可以控制反相器输出端高低电平的变化，如图7(e)和7(f)所示。
平时反相器输出为低电平，当磁铁靠近霍尔传感器时，反相器输出变为高电平。