电力电子技术 第五讲第二章学习资料

电力电子技术PowerElectronics3．动态特性

功率MOSFET存在输入电容Cin，包含栅、源电容CGS和栅、漏电容CGD。当驱动脉冲电压到来时，Cin有充电过程，栅极电压uGS呈指数曲线上升，如图2-29所示。图2-29功率MOSFET的开关过程波形2.7.2

功率MOSFET特性及主要参数目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

2.3功率二极管2.4晶闸管

2.5可关断晶闸管（GTO）

2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管

2.7.1基本结构和工作原理

2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结

当uGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流iD。从驱动脉冲电压前沿时刻到iD的数值达到稳态电流的10%的时间段称为开通延迟时间td(on)。此后，iD随uGS的上升而上升。从uGS上升到开启电压UT，到漏极电流iD的数值达到稳态电流的90%的时间段称为电流上升时间tri。此时uGS的数值为功率MOSFET进入正向电阻区的栅压UGSP。2.7.2

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2.5可关断晶闸管（GTO）

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2.7.1基本结构和工作原理

2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结当uGS上升到UGSP时，功率MOSFET的漏、源极电压uDS开始下降，受栅、漏电容CGD的影响，uGS增长缓慢，波形上出现一个平台期，当uDS下降到导通压降，功率MOSFET进入到稳态导通状态，这一时间段为电压下降时间tfv。此后uGS继续升高直至达到稳态。功率MOSFET的开通时间ton是开通延迟时间、电流上升时间与电压下降时间之和，即ton=td(on)+tri+tfv。2.7.2

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2.7.1基本结构和工作原理

2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

2.3功率二极管2.4晶闸管

2.5可关断晶闸管（GTO）

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2.7.1基本结构和工作原理

2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结当驱动脉冲电压下降到零时，栅源极输入电容Cin通过栅极电阻放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，功率MOSFET的漏、源极电压uDS开始上升，这段时间称为关断延迟时间td(off)。此时栅、漏电容CGD放电，uGS波形上出现一个平台。当uDS上升到输入电压时，iD开始减小，这段时间称为电压上升时间trv。此后Cin继续放电，uGS从UGSP继续下降，iD减小，到uGS<UT时沟道消失，iD下降到稳态电流的10%，这段时间称为电流下降时间tfi。2.7.2

功率MOSFET特性及主要参数关断延迟时间、电压上升时间和电流下降时间之和为功率MOSFET的关断时间toff，即toff=td(off)+trv+tfi。功率MOSFET是单极性器件，只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10-100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是常用电力电子器件中最高的。2.7.2

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2.7.1基本结构和工作原理

2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结

4．主要参数

除前面已涉及到的跨导、开启电压以及开关过程中的时间参数外，功率MOSFET还有以下主要参数：（1）通态电阻Ron

通态电阻Ron是影响最大输出功率的重要参数。Ron随ID的增加而增加，随UGS的升高而减小。（2）漏极电压最大值UDSM

这是标称功率MOSFET电压额定的参数，为避免功率MOSFET发生雪崩击穿，实际工作中的漏极和源极两端的电压不允许超过漏极电压最大值UDSM。（3）漏极电流最大值IDM

这是标称功率MOSFET电流额定的参数，实际工作中漏源极流过的电流应低于额定电流IDM的50%。2.7.2

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2.7.1基本结构和工作原理

2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结

4．主要参数栅源电压UGS

栅源之间的绝缘层很薄，

UGS

>20V将导致绝缘层击穿

极间电容极间电容CGS、CGD和CDS2.7.2

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2.7.1基本结构和工作原理

2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结图2-30功率MOSFET的集成驱动芯片TLP250与GTO和GTR通过电流来驱动不同，MOSFET是电压驱动型器件（场控器件），其输入阻抗极高，输入电流非常小，有利于驱动电路的设计。目前对于功率MOSFET的驱动常采用专用的集成驱动芯片，如TOSHIBA公司生产的TLP250等功率MOSFET专用驱动芯片。TLP250包含一个光发射二极管和一个集成光探测器，并集合了晶体管驱动电路。2.7.3

功率MOSFET的驱动目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.7.1基本结构和工作原理

2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结2.7.4

功率MOSFET的应用特点

功率MOSFET的薄弱之处是绝缘层易被击穿损坏，栅源间电压不得超过20V。为此，在使用时必须注意若干保护措施。（1）防止静电击穿（2）防止栅源过电压

一般来说，功率

MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了功率

MOSFET的安全工作区目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.7.1基本结构和工作原理

2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.7.2功率MOSFET特性及主要参数

2.7.3功率MOSFET的驱动

2.7.4功率MOSFET的应用特点2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。功率MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件1986年IGBT投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。2.8

绝缘栅双极型晶体管目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结图2-31IGBT的外形、简化等效电路和电气图形符号a)外形

b)简化等效电路c)电气图形符号图2-31是IGBT的外形、简化等效电路和电气图形符号，它有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G。2.8.1

基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结2.8.1

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结IGBT的结构IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1，使得IGBT具有很强的通流能力简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，输入为MOSFET，所以IGBT驱动原理与MOSFET基本相同。RN为MOSFET的等效调制电阻，即漏-源极之间的等效电阻RDS输出为PNP三极管2.8.1

基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结IGBT的原理驱动原理与功率MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，改变了调制电阻RN，为晶体管提供基极电流，IGBT导通关断：栅射极间施加反压或撤除uGE时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得VJ1截止，IGBT关断当UGE=0时，MOSFET管内无导通沟道，其调制电阻RN可视为无穷大，IC=0，MOSFET处于断态。1、静态伏安特性同样可以用转移特性和输出特性表述2.8.2IGBT特性及主要参数目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性开启电压UGE(th)：IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压

UGE(th)随温度升高会下降

图2-32IGBT的伏安特性

1、静态伏安特性

IGBT的导通原理和功率MOSFET相似。图2-32为IGBT的伏安特性，它反映在一定的栅极—发射极电压UGE下IGBT的输出端电压UCE与电流IC的关系。当UGE＞UGE(th)（开启电压，一般为3～6V）时，IGBT开通。当UGE＜UGE(th)时，IGBT关断。IGBT的伏安特性分为正向阻断区、有源区和饱和区，分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。2.8.2IGBT特性及主要参数目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结

图2-32IGBT的伏安特性

1、静态伏安特性值得注意的是，IGBT的反向电压承受能力很差，其反向阻断电压只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场合的应用。为满足实际电路的要求，IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，成为逆导器件，选用时应加以注意。2.8.2IGBT特性及主要参数目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结图2-33IGBT的开关过程IGBT的开通过程与功率MOSFET的开通过程很相似。从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的10％的时刻，到集电极电流ic上升至电流幅值ICM的10％的时刻止，这段时间为开通延迟时间td(on)。而ic从10％ICM上升至90％ICM所需时间为电流上升时间tri。开通时，集射电压uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。2.8.2IGBT特性及主要参数目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结图2-33IGBT的开关过程tfv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程，由于uCE下降时IGBT中MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此tfv2段电压下降过程变缓。只有在tfv2段结束时，IGBT才完全进入饱和导通状态。开通时间ton为开通延迟时间td(on)、电流上升时间tri与电压下降时间（tfv1+tfv2）之和。2.8.2IGBT特性及主要参数目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.2IGBT特性及主要参数

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2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结图2-33IGBT的开关过程IGBT关断时，从驱动电压uGE的脉冲下降到其幅值的90％的时刻起，到集射电压uCE上升到其幅值的10%，这段时间为关断延迟时间td(off)。随后是集射电压上升时间trv，这段时间内栅极-集电极寄生电容CGC放电，栅极电压uGE基本维持在一个电压水平上。集电极电流从90％ICM下降至10％ICM的这段时间为电流下降时间tf。2.8.2IGBT特性及主要参数目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结图2-33IGBT的开关过程电流下降时间分为tfi1和tfi2两段，其中tfi1对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，这段时间集电极电流Ic下降较快；tfi2对应IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少子复合缓慢，造成ic下降较慢，这称为IGBT的电流拖尾现象。由于此时uCE已处于高位，相应的关断损耗增加。关断时间toff为关断延迟时间td(off)、电压上升时间trv与电流下降时间（tfi1+tfi2）之和。IGBT的开关速度要低于功率MOSFET。2.8.2IGBT特性及主要参数目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结

3．主要参数（1）最大集射极间电压UCEM这是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的，实际应用中应计算IGBT集射极两端的最大电压，并在选型时留有裕量。（2）最大集电极电流

包括额定直流电流ICM和1ms脉宽最大电流ICP。（3）最大集电极功耗PCM指在正常工作温度下允许的最大耗散功率。2.8.2IGBT特性及主要参数目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结2.8.2IGBT特性及主要参数IGBT的特性和参数特点开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与功率MOSFET相当相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结其栅极驱动条件关系到它的静态和动态特性。一切都从围绕着缩短开关时间、减小开关损耗，保证电路可靠的工作为目标。原则上IGBT驱动特性与电力MOS几乎相同，但由于两者使用范围不同，所以驱动电路仍有差异。IGBT的输入电容较MOSFET大，故IGBT的关断偏压应比MOSFET驱动电路提供的偏压更高。对IGBT驱动电路的一般要求为：（1）栅极驱动电压IGBT导通时，正向栅极电压值应能使IGBT完全饱和，并使通态损耗减至最小，故应保证栅极驱动电压在12～20V之间；而反向偏压应在-5～-15V之间。

（2）串联栅极电阻IGBT的导通与关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻对IGBT的动态特性会产生较大的影响。数值较小的栅极电阻能加快栅极电容的充放电，从而减小开关时间和开关损耗，但与此同时也降低了栅极的抗噪声能力，并可能导致栅极-发射极电容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡。2.8.3IGBT的驱动目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结2.8.3IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器常用的有三菱公司的M57957～M57963系列和富士公司的EXB840、EXB841、EXB850和EXB851系列，MOTOROLA公司的MC35153。

EXB8XX系列IGBT专用集成驱动电路采用单列直插式封装，使用单电源20V供电，在输出脚3和1间产生约15V的导通驱动电压，而通过内部稳压管在输出脚1和9间产生约-5V的关断偏压。图2-34EXB8XX驱动模块框图目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结标准型驱动电路信号延迟时间为4μs，最高运行频率为10kHz；高速型驱动电路信号最大延迟时间为1.5μs，最高运行频率为40kHz。

IGBT600VIGBT驱动1200VIGBT驱动150A400A75A300A标准型EXB850EXB851EXB850EXB851高速型EXB840EXB841EXB840EXB841表2-1IGBT驱动电路的应用电压电流范围2.8.3IGBT的驱动目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结IGBT的常见封装2.8.3IGBT的驱动目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

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2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结IGBT的驱动

IGBT是性能理想的中大容量的中高速电压控制型器件，其控制要求简单，在中大功率电力电子装置中已全面取代电力晶体管GTR。通流能力方面，IGBT综合了功率MOSFET与GTR的导电特性，在1/2或1/3额定电流以下时，GTR的压降起主要作用，IGBT的通态压降表现出负的温度系数；当电流较大时，功率MOSFET的压降起主要作用，则IGBT通态压降表现出正的温度系数，并联使用时也具有电流的自动均衡能力。事实上，大功率的IGBT模块内部就是由许多电流较小的芯片并联制成的。由于IGBT包含双极型导电机构，其开关速度受制于少数载流子的复合，与功率MOSFET相比有较长的尾部电流时间，因此在设计电路时应考虑降低尾部电流时间引起的功率损耗。2.8.4IGBT的应用特点目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础

2.3功率二极管2.4晶闸管

2.5可关断晶闸管（GTO）

2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管

2.8.1基本结构和工作原理

2.8.2IGBT特性及主要参数

2.8.3IGBT的驱动

2.8.4IGBT的应用特点*2.