绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的应用与原理

IGBT是基于MOSFET机理上发展起来的半导体器件，属于功率晶体管的范畴。IGBT有三个极，分别是发射极（又称源极）E、集电极（又称漏极）C和栅极G。在电路中IGBT的C接电源的正极，E接电源的负极，它的导通和关断由栅极控制。栅极施加正电压时，IGBT导通；栅极施加负电压时，IGBT关断。

IGBT的伏安特性是指以栅-射电压U_GE为参变量时，集电极电流I_C和集-射电压U_CE之间的关系曲线。如图10-9a所示。IGBT的伏安特性也可以分为饱和区Ⅰ、放大区Ⅱ和击穿区Ⅲ。在放大区内，I_C和U_GE呈线性关系，但是损耗较大。在饱和区内，伏安特性急剧弯曲，管压降约为0.7V。作为电气传动逆变器使用的IGBT主要是工作在开关状态，即工作在饱和区和关断区。关断时集电极电流I_C下降很快，尤其是在短路故障的情况下。为了防止过高的电流下降率在主回路的分布电感上引起高电压，需要采用软关断措施限制电流下降率。IGBT的反向阻断电压U_RM只有几十伏，因此限制了它在高反电压场合的应用。当电压U_CE超过了BU_SS值后，IGBT进入击穿区，造成永久性损坏。

图10-9 IGBT的伏安特性和转移特性

IGBT的转移特性描述的是在线性工作区时，集电极电流I_C和栅-射极电压U_GE之间的关系，即集电极电导与栅-射间电压的耦合关系（见图10-9b）。当U_GE小于开启电压U_GE（TH）时，IGBT处于关断状态。当U_GE略大于开启电压时，I_C和U_GE成非线性关系，随着U_GE增大，I_C和U_GE成线性关系，这就是IGBT的放大作用。当I_C增大到电路条件可能的最大值，进入饱和区。I_C受器件的最大允许值I_CM限制。U_GE的取值为15～20V。当工作在关断状态时，U_GE一般加-5V的反向电压。

IGBT的参数

（1）栅-射极短路时的最大集-射极直流电压U_CES。

（2）栅-射极开路时的最大集-射极直流电压U_CEO。

（3）栅-射极反偏时的最大集-射极直流电压U_CEX。(www.xing528.com)

（4）集-射极通态饱和电压U_CE（SAT）：指IGBT导通后通过额定电流时的集-射极电压。它是集电极电流、结温及栅极电压的函数，其大小表征了IGBT的通态损耗。

（5）栅-射极最高电压U_GES：集-射极短路时栅极所能承受的最大电压值，一般其绝对值小于20V。

（6）栅极开启电压U_GE（TH）：在规定的集电极电流与集-射极电压的条件下对应的栅极电压，它表征了IGBT需要的最小栅极电压。

（7）集电极额定电流I_CN：在规定的温度下，器件允许的最大集电极电流。

（8）集-射极漏电流I_CES：栅-射极短路时集-射极加额定电压产生的集电极漏电流。

（9）导通损耗E_on：指IGBT从关断到导通的全过程中总的能量损耗，其最终的集电极电流为器件的额定电流。

（10）关断损耗E_off：指IGBT从导通到关断的全过程中总的能量损耗，其最初的集电极电流为器件的额定电流。

IGBT是目前变频器内应用的主流的开关器件。与IGCT相比，IGBT在小功率领域具有较好的成本优势，可以并联使用，驱动和保护技术也相对简单，广泛应用于通用逆变器和中频电源中。