功率場效應晶體管絕緣柵雙極型晶體管IGBT其他器件第1頁/共32頁2

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率小。開關速度快，工作頻率高。熱穩定性優于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。第2頁/共32頁31、當柵—源極間的電壓UGS≤0或0＜UGS≤UV（UV為開啟電壓，又叫閾值電壓，典型值為2～4V）時，即使加上漏—源極電壓UDS，也沒有漏極電流ID出現，PM處于截止狀態。

2、當UGS＞UV且UDS＞0時，會產生漏極電流ID，PM處于導通狀態，且UDS越大，ID越大。另外，在相同的UDS下，UGS越大，ID越大。

綜上所述，PM的漏極電流ID受控于柵—源電壓UGS和漏—源電壓UDS

。(ID受雙重控制）

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(1)輸入阻抗高，屬于純容性元件，不需要直流電流驅動，屬電壓控制器件，可直接與數字邏輯集成電路連接，驅動電路簡單。

(2)開關速度快，工作頻率可達1MHz，比GTR器件快10倍，可實現高頻斬波，開關損耗小。

(3)為負電流溫度系數，即器件內的電流隨溫度的上升而下降的負反饋效應，因此熱穩定性好，不存在二次擊穿問題，安全工作區SOA較大。1.P-MOSFET的主要特性第4頁/共32頁52.PMOSFET的柵極驅動電路

1．對柵極驅動電路的要求

(1)為PM的柵極提供所需要的柵壓，以保證P-MOSFET可靠導通。

(2)減小驅動電路的輸入電阻以提高柵極充放電速度，從而提高器件的開關速度。

(3)實現主電路與控制電路間的電隔離。

(4)因為PM的工作頻率和輸入阻抗都較高，很容易被干擾，所以柵極驅動電路還應具有較強的抗干擾能力。

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理想的柵極控制電壓波形如圖，提高柵極電壓上升率duG/dt可縮短開通時間，但過高會使管子在開通時承受過高的電流沖擊。正、負柵極電壓的幅值UG1、UG2要小于器件規定的允許值。

第6頁/共32頁72．柵極驅動電路基本電路型式

(a)共源極電路；(b)共漏極電路；(c)轉換開關電路；(d)交流開關電路

(1)圖a是共源極電路：相當于普通晶體管的共發射極電路。(2)圖b是共漏極電路：相當于射極跟隨器。(3)圖c轉換開關電路：PM1與PM2輪流驅動導通可構成半橋式逆變器。(4)圖d交流開關電路：PM1

、VD2導通時，負載為交流正向；PM2

、VD1導通時，負載為交流負向，它是交流調壓電路的常用形式。

第7頁/共32頁8圖4-21P-MOSFET逆變器

3．驅動電路舉例1、圖4-21是一種數控逆變器，兩個P-MOSFET的柵極不用任何接口電路直接與數字邏輯驅動電路連接。該驅動電路是由兩個與非門與RC組成的振蕩電路。當門Ⅰ輸入高電平時，電路起振時，在PM1、PM2的柵極分別產生高、低電平，使它們輪流導通，將直流電壓變為交流電壓，實現逆變。振蕩頻率由電容與電阻值決定。第8頁/共32頁9圖4-22直流斬波的驅動電路

2、圖4-22為直流斬波的驅動電路。斬波電源為UD，由不可控整流器件獲得，當管子PM2導通時，負載得電，輸出電流Io＞0。當PM2關斷時，VD4續流，直到Io＝0，VD4斷開，接著PM3導通。

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P-MOSFET在電力變流技術中主要有以下應用：

(1)在開關穩壓調壓電源方面，可使用P-MOSFET器件作為主開關功率器件可大幅度提高工作頻率，工作頻率一般在200～400kHz。頻率提高可使開關電源的體積減小，重量減輕，成本降低，效率提高。目前，P-MOSFET器件已在數十千瓦的開關電源中使用，正逐步取代GTR。

3.P-MOSFET的應用第10頁/共32頁11

(2)將P-MOSFET作為功率變換器件。由于P-MOSFET器件可直接用集成電路的邏輯信號驅動，而且開關速度快，工作頻率高，大大改善了變換器的功能，因而在計算機接口電路中應用較多。

(3)將P-MOSFET作為高頻的主功率振蕩、放大器件，在高頻加熱、超聲波等設備中使用，具有高效、高頻、簡單可靠等優點。第11頁/共32頁121.2.4絕緣柵雙極型晶體管

1.IGBT的工作原理

IGBT的結構是在P-MOSFET結構的基礎上作了相應的改善，相當于一個由P-MOSFTET驅動的厚基區GTR，其簡化等效電路和電氣符號如圖。圖4-23IGBT的簡化等效電路

圖4-24IGBT的圖形符號

第12頁/共32頁13IGBT有三個電極，分別是集電極C、發射極E和柵極G。在應用電路中，IGBT的C接電源正極，E接電源負極。它的導通和關斷由柵極電壓來控制。

柵極施以正向電壓時，IGBT導通。導通后的IGBT具有較低的通態壓降。在柵極上施以負電壓時，IGBT關斷。

IGBT的導通原理與PM相同。

第13頁/共32頁142.IGBT的特性

IGBT的伏安特性（又稱靜態輸出特性）反映了在一定的柵—射極電壓UGE下，器件的輸出端電壓UCE與電流IC的關系。UGE越高，IC越大。與普通晶體管的伏安特性一樣，IGBT的伏安特性分為截止區、有源放大區、飽和區和擊穿區。第14頁/共32頁15

需要注意的是，IGBT的反向電壓承受能力很差，從曲線可知，其反向阻斷電壓UBM只有幾十伏，因此限制了它在需要承受高反壓場合的應用。第15頁/共32頁16圖是IGBT的轉移特性曲線。◆UGE>UGE(TH)時,IGBT開通.(UGE(TH)是IGBT的開啟電壓,一般為3--6伏).開通后,電流IC與電壓UGE基本呈線性關系.◆UGE<UGE(TH)時,IGBT關斷.第16頁/共32頁17

1．柵極驅動電路由于IGBT的輸入特性幾乎和PMOSFET相同，因此P-MOSFET的驅動電路同樣適用于IGBT。3.IGBT的柵極驅動電路及其保護第17頁/共32頁18

1）采用脈沖變壓器隔離的柵極驅動電路圖是采用脈沖變壓器隔離的柵極驅動電路。其工作原理是：控制脈沖ui經晶體管V放大后送到脈沖變壓器，由脈沖變壓器耦合，并經VDW1、VDW2穩壓限幅后驅動IGBT。脈沖變壓器的初級并接了續流二極管VD1，以防止V中可能出現的過電壓。R1限制柵極驅動電流的大小，R1兩端并接了加速二極管，以提高開通速度。第18頁/共32頁19

2）推挽輸出柵極驅動電路圖4-27是一種采用光耦合隔離的由V1、V2組成的推挽輸出柵極驅動電路。當控制脈沖使光耦合關斷時，光耦合輸出低電平，使V1截止，V2導通，IGBT在VDW1的反偏作用下關斷。當控制脈沖使光耦合導通時，光耦合輸出高電平，V1導通，V2截止，經UCC、V1

、RG產生的正向電壓使IGBT開通。

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3）專用集成驅動電路

EXB系列IGBT專用集成驅動模塊是日本富士公司出品的，它們性能好，可靠性高，體積小，得到了廣泛的應用。EXB850、EXB851是標準型，EXB840、EXB841是高速型，它們的內部框圖如圖4-28所示，各管腳功能列于表4-2，表4-3是其額定參數。

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2．IGBT的保護

1)過電流保護

IGBT應用于電力電子系統中，對于正常過載（如電機啟動、濾波電容的合閘沖擊以及負載的突變等），系統能自動調節和控制，不至損壞IGBT。對于不正常的短路故障，要實行過流保護，通常的做法是：

(1)切斷柵極驅動信號。只要檢測出過流信號，就在2μs內迅速撤除柵極信號。

(2)當檢測到過流故障信號時，立即將柵極電壓降到某一電平，同時啟動定時器，在定時器到達設置值之前，若故障消失，則柵極電壓恢復正常工作值；若定時器到達設定值時故障仍未消除，則使柵極電壓降低到零。這種保護方案要求保護電路在1～2μs內響應。第21頁/共32頁22

2)過電壓保護利用緩沖電路能對IGBT實行過電壓抑制并限制過量的電壓變化率du/dt。但由于IGBT的安全工作區寬，因而改變柵極串聯電阻的大小可減弱IGBT對緩沖電路的要求。然而，由于IGBT控制峰值電流的能力比P-MOSFET強，因而在有些應用中可不用緩沖電路。

3)過熱保護利用溫度傳感器檢測IGBT的殼溫，當超過允許溫度時，主電路跳閘以實現過熱保護。

第22頁/共32頁23圖4-30單管模塊的內部電路和輸出特性(a)單管模塊；(b)輸出特性4.IGBT的功率模塊第23頁/共32頁24圖4-31雙管模塊的內部結構和輸出特性(a)內部結構；(b)輸出特性第24頁/共32頁25圖4-32六管模塊的內部電路

第25頁/共32頁26表4-6東芝MG25N2S1的最大額定值（TC＝25℃）

第26頁/共32頁27表4-7東芝MG25N2S1的電氣特性（TC＝25℃）第27頁/共32頁28圖4-33智能模塊內部框圖

第28頁/共32頁291.2.5靜電感應晶體管

第29頁/共32頁301.什么叫GTR的一次擊穿和二次擊穿？2.怎樣確定GTR的安全工作區SOA？3.GTR對基極驅動電路的要求是什么？4.在大功率GTR組成的開關電路中為什么要加緩沖電路？5.與GTR相比，功率MOS管有何優、缺點