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IGBT的工作原理和工作特性

  • 發布時間:2020-01-13
  • 發布者: 本站
  • 來源: 本站
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  IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給PNP晶體管提供基極電流,使IGBT導通。反之,加反向門極電壓消除溝道,流過反向基極電流,使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同,只需控制輸入極N一溝道MOSFET,所以具有高輸入阻抗特性。
  當MOSFET的溝道形成后,從P基極注入到N一層的空穴(少子),對N一層進行電導調制,減小N一層的電阻,使IGBT在高電壓時,也具有低的通態電壓。
  IGBT的工作特性包括靜態和動態兩類:
  1.靜態特性IGBT的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。
  IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時,漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制,Ugs越高,Id越大。它與GTR的輸出特性相似.也可分為飽和區1、放大區2和擊穿特性3部分。在截止狀態下的IGBT,正向電壓由J2結承擔,反向電壓由J1結承擔。如果無N緩沖區,則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平,加入N緩沖區后,反向關斷電壓只能達到幾十伏水平,因此限制了IGBT的某些應用范圍。
  IGBT的轉移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關系曲線。它與MOSFET的轉移特性相同,當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時,IGBT處于關斷狀態。在IGBT導通后的大部分漏極電流范圍內,Id與Ugs呈線性關系。高柵源電壓受大漏極電流限制,其值一般取為15V左右。
  IGBT的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT處于導通態時,由于它的PNP晶體管為寬基區晶體管,所以其B值極低。盡管等效電路為達林頓結構,但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時,通態電壓Uds(on)可用下式表示
  Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh(2-14)
  式中Uj1——JI結的正向電壓,其值為0.7~IV;
  Udr——擴展電阻Rdr上的壓降;
  Roh——溝道電阻。
  通態電流Ids可用下式表示:
  Ids=(1Bpnp)Imos(2-15)
  式中Imos——流過MOSFET的電流。
  由于N區存在電導調制效應,所以IGBT的通態壓降小,耐壓1000V的IGBT通態壓降為2~3V。
  IGBT處于斷態時,只有很小的泄漏電流存在。
  2.動態特性IGBT在開通過程中,大部分時間是作為MOSFET來運行的,只是在漏源電壓Uds下降過程后期,PNP晶體管由放大區至飽和,又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間,tri為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton即為td(on)tri之和。漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成,如圖2-58所示
  IGBT在關斷過程中,漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷后,PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除,造成漏極電流較長的尾部時間,td(off)為關斷延遲時間,trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖2-59中的t(f1)和t(f2)兩段組成,而漏極電流的關斷時間
  t(off)=td(off)trv十t(f)(2-16)
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