为解决功率MOSFET在高压、大电流工作时通态电阻大、器件发热严重、输出效率下降等问题，近年来IGBT功率开关管也获得迅速发展。IGBT(Insulate Gate-bipolar Transistor)是绝缘栅-双极型晶体管的简称。IGBT功率开关管是由MOS场效应管(MOS-FET)与巨型晶体管(GTR)集成的新型高速、高压大功率电力电子器件，它属于电压控制型大功率器件。IGBT以MOSFET为输入级(驱动电路)，GTR为输出级(主回路)。但从本质上讲，IG-BT仍属于场效应管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。它将MOSFET和GTR的优点集于一身，具有输入阻抗高、驱动电路简单、耐压高(一般在500V以上)、工作电流大(可达几百安培，峰值电流可达几千安培，是功率MOSFET的几十倍)、漏-源通态电阻小、开关速度快(可达微秒数量级)、热稳定性好、开关损耗低(仅为GTR的30%)等优良特性。IGBT的最高工作频率为20～30kHz，主要应用于20kHz以下的大功率开关电源、交流变频器、逆变器等电气设备。
IGBT功率开关管的结构如下图1所示，它类似于MOSFET，所不同的是IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板(漏极)上增加了一个P+基板(即IGBT的集电极)，形成了PN结j，并由此引出漏极，栅极和源极则与MOSFET相似。IG-BT采用PNPN四层结构，其输出级亦可视为由PNP-NPN晶体管构成的晶闸管。但因NPN晶体管和发射极在内部短路，故NPN晶体管不起作用。因此，也可将IGBT看作是以N沟道MOSFET为输入级，PNP晶体管为输出级的单向达林顿管。由图可见，IG-BT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如下图(b)所示。图中，Rar为厚基区GTR的扩散电阻。为兼顾双极型晶体管引脚的习惯称呼，国际电工委员会（IEC)规定IGBT的栅极为G，源极引出端为发射极E，漏极引出端为集电极C。
N沟道和P沟道IGBT的电路符号各有两种，分别如图2(a)、（b）所示。IGBT的导通与关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时MOSFET内部就形成了沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P+区注入 N-区进行电导调制，减少N-区的电阻Rar值，使耐高压的IGBT也具有低的通态电阻。当栅极上加负电压时MOSFET内部的沟道就消失，PNP晶体管的基极电流被切断，使IGBT关断。
IGBT功率开关管的主要技术参数包括反向击穿电压U(BR)CEO，最大集电极连续电流ICM，最大输出功率POM，开启时间td(ON)，关断时间td(OFF)，栅极门限电压UGe，集电极-发射极饱和电压UCE，内部是否有保护二极管(亦称阻尼二极管)。国外生产IGBT功率开关管的主要厂家有美国飞兆公司，德国西门子公司、英飞凌公司，日本东芝公司等。IGBT功率开关管典型产品的主要参数见表1。
对于内部没有保护二极管的IGBT功率开关管，应在C-E极间接一只快恢复式阻尼二极管，阻尼二极管的正极接E极，负极接C极。例如可采用Philips公司生产的BY459型快速、高压阻尼二极管，其反向耐压为1500V，正向导通电压为0.95V，正向峰值重复电流可达100A，反向恢复时间为250ns。
由IGBT和交、直流高压输入式可调线性稳压器HIP5600构成大电流自激降压式开关电源的电路如图3所示。该电源采用自激振荡的原理产生大约为18kHz的开关频率。交流输入电压为220V，输出为+24V、250mA，可驱动直流风扇电动机。桥式整流滤波器由VD1～VD4、C1构成。开关功率管采用P沟道IGBT，它是以MOS场效应管(MOSFET)为输入级，再以功率晶体管为输出级的集成化大功率器件。由VT2和R5组成启动保护电路，可限制IGBT的初始浪涌电流。C5、VD6、VD7和L1组成输出缓冲电路。输出电压由R1、R2和R3设定。
评论