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由于IGBT在电能转换中扮演的重要角色,它能够为各种高电压和大电流应用提供更高的效率和节能效果,被广泛应用于工业控制、新能源、变频家电等领域。特别是在新能源汽车中,IGBT 模块占电动车整车成本约5%左右,是除电池之外成本第二高的元件。根据IHS预测,全球汽车电动化用IGBT模块未来5年复合增长率高达23.5%。目前国内IGBT供需差距,国产量仅为市场销量的七分之一。
2018 年 IGBT 模块需求量为7898万只,但是国内产量只有1115万只,供需缺口。据业内人士透露,IGBT整体市场规模会保持每年10%以上的增长速度,主要受益于新能源汽车行业的发展。但是国产IGBT的增长速度会远此,以上市公司斯达半导体为例,2016年至2018年,连续保持45%以上的增长率。国内诸多公司以IGBT为主营业务的公司实现了高速增长。
IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点;当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块;随着节能环保等理念的推进,此类产品在市场上将越来越多见;
IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,作为国家战略性新兴产业,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP(原来为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-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-层的空穴(少子),对N-层进行电导调制,减小N-层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。
静态特性
三菱制大功率IGBT模块
三菱制大功率IGBT模块
IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性。
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。高栅源电压受大漏极电流限制,其佳值一般取为15V左右。
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