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绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)是一种结合了PNP型三极管与增强型NMOS(N沟道金属氧化物半导体)管独特结构的电力电子器件。其外观、等效电路模型及符号如图7-17所示,清晰展示了这种复合结构:IGBT内部实质上是PNP型三极管与NMOS管以特定方式相互集成。
IGBT拥有三个主要电极:集电极(C极)、栅极(G极)和发射极(E极)。在图7-17的等效结构图中,我们可以直观地看到这种复合结构的设计思路,它充分利用了PNP三极管的电流放大能力以及NMOS管的高输入阻抗和快速开关特性。
特别地,基于NMOS管与PNP三极管组合而成的IGBT被称为N-IGBT,其电路符号如图7-17(c)所示。相对应地,若采用PMOS管与NPN三极管组合,则形成P-IGBT,其电路符号可通过将N-IGBT符号中的箭头方向反转(即由E极指向G极)来表示。然而,在电力电子设备中,N-IGBT因其性能优势而得到广泛应用。
以下以图7-18所示的电路为例,详细阐述N-IGBT的工作原理:
当外部电源通过开关S为IGBT提供电压U时,这一电压通过电阻R加载到IGBT的栅极(G)与发射极(E)之间。一旦开关S闭合,且G、E极之间的电压U大于IGBT的开启电压(通常为2~6V),IGBT内部的NMOS管便会形成导电沟道,使得MOS管的漏极(D)与源极(S)之间导通。这一导通路径为PNP三极管的基极提供了必要的电流,从而触发三极管的导通。
在导通状态下,电流从IGBT的集电极(C)流入,经过三极管的放大作用后,一部分电流通过MOS管的D、S极流动(记为I1),另一部分则直接从三极管的集电极流出(记为I2)。这两部分电流在IGBT的发射极(E)汇合,形成总电流流出。
相反,当开关S断开时,G、E极之间的电压U消失,NMOS管的导电沟道被夹断,导致I1和I2均为零,IGBT进入截止状态。
值得注意的是,通过调节电源电压E,可以改变G、E极之间的电压U,进而影响NMOS管导电沟道的宽度。导电沟道宽度的变化会直接影响I1的大小,而由于I1是三极管基极电流的来源,其微小的变化都能引起集电极电流(即总电流)的显著变化。因此,通过精确控制栅极电压,可以实现对IGBT输出电流的高效调节。
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