IGBT的基本结构,参数选择,使用注意事项

1、1.IGBT的基本结构绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区（包括P+和P一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannelregion）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Draininjector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体

2、管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。为了兼顾长期以来人们的习惯，IEC规定：源极引出的电极端子（含电极端）称为发射极端（子），漏极引出的电极端（子）称为集电极端（子）。这又回到双极晶体管的术语了。但仅此而已。IGBT的结构剖面图如图2所示。它在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基板（IGBT的集电极），形成PN结j1，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。aiydzW卄怡削JrMUAK由图2可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区

3、GTR，其简化等效电路如图3所示。图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。N沟道IGBT的图形符号有两种，如图4所示。实际应用时，常使用图25所示的符号。对于P沟道，图形符号中的箭头方向恰好相反，如图4所示。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P+区注到N区进行电导调制，减少N一区的电阻Rdr值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。正是由于I

4、GBT是在N沟道MOSFET的N+基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNPNPN晶体管构成IGBT。但是，NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使NPN不起作用。所以说，IGBT的基本工作与NPN晶体管无关，可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极，PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。采取这样的结构可在N层作电导率调制，提高电流密度。这是因为从P+基板经过N+层向高电阻的N层注入少量载流子的结果。IGBT的设计是通过PNPNPN晶体管的连接形成晶闸管。2.IGBT模块的术语及其特性术语说明术语符号定义及说明（测定条件参改说明书）集电极、发射极间电压VCES栅极、发射极间短路时

5、的集电极，发射极间的最大电压栅极发极间电压VGES集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大电压集电极电流IC集电极所允许的最大直流电流耗散功率PC单个IGBT所允许的最大耗散功率结温Tj元件连续工作时芯片温厦关断电流ICES栅极、发射极间短路，在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。漏电流IGES集电极、发射极间短路，在栅极、集电极间加上指定的电压时的栅极漏电流饱和压降VCE(sat)在指定的集电极电流和栅极电压的情况下，集电极、发射极间的电压。输入电容Clss集电极、发射极间处于交流短路状态，在栅极、发射极间及集电极、发射极间加上指定电压时，栅极、发射极间的电容3.IGBT模块使用

6、上的注意事项1.IGBT模块的选定在使用IGBT模块的场合，选择何种电压，电流规格的IGBT模块，需要做周密的考虑。电流规格IGBT模块的集电极电流增大时，V上升，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增CE（-）大，原件发热加剧。因此，根据额定损耗，开关损耗所产生的热量，控制器件结温（T）在150oCj以下（通常为安全起见，以125oC以下为宜），请使用这时的集电流以下为宜。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热也加剧，需十分注意。一般来说，要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用，从经济角度这是值得推荐的。电压规格IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即市电电源电压紧密

7、相关。其相互关系列于表1。根据使用目的，并参考本表，请选择相应的元件。元器件电压规格600V1200V1400V电源电压200V；220V；230V；240V346V；350V；380V；400V；415V；440V575V2.防止静电IGBT的V的耐压值为土20V,在IGBT模块上加出了超出耐压值的电压的场合，由于会导致GE损坏的危险，因而在栅极-发射极之间不能超出耐压值的电压，这点请注意。在使用装置的场合，如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时（珊极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止这类损坏情况发生，应在栅极一发射极之间接一只10kQ左左的电阻为宜。此外

8、，由于IGBT模块为MOS结构，对于静电就要十分注意。因此，请注意下面几点：1）在使用模块时，手持分装件时，请勿触摸驱动端子部份。在用导电材料连接驱动端子的模块时，在配线未布好之前，请先不要接上模块。尽量在底板良好接地的情况下操作。当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电放电后，再触摸。在焊接作业时，焊机与焊槽之间的漏泄容易引起静电压的产生，为了防止静电的产生，请先将焊机处于良好的接地状态下。装部件的容器，请选用不带静电的容器。并联问题用于大容量逆变器等控制大电流场合使用IGBT模块时，可以使用多个器件并联。并联时，要使每个器件流过均等的电流是非常重要的，如果一旦电流平衡达到破坏，那么

9、电过于集中的那个器件将可能被损坏。为使并联时电流能平衡，适当改变器件的特性及接线方法。例如。挑选器件的VCE(s相t同的并联是很重要的。其他注意事项保存半导体原件的场所的温度，温度，应保持在常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为535C，常湿的规定为4575%左右。开、关时的浪涌电压等的测定，请在端子处测定。IGBT模块在大功率斩波中问题的探讨发布时间：10-08-11来源：点击量：1573字段选择：大中小斩波是电力电子控制中的一项变流技术，其实质是直流控制的脉宽调制，因其波形如同斩切般整齐、对称，故名斩波。斩波在内馈调速控制中占有极为重要的地位，它不仅关系到调速的技术性能,而且直接影响设备

10、的运行安全和可靠性，因此。如何选择斩波电路和斩波器件十分重要。IGBT是近代新发展起来的全控型功率半导体器件，它是由MOSFET(场效应晶体管)与GTR(大功率达林顿晶体管)结合，并由前者担任驱动，因此具有：驱动功率小，通态压降低，开关速度快等优点，目前已广泛应用于变频调速、开关电源等电力电子领域。就全控性能而言，IGBT是最适合斩波应用的器件，而且技术极为简单，几乎IGBT器件本身就构成了斩波电路。但是要把IGBT斩波形成产品，问题就没有那么简单，特别是大功率斩波，如果不面对现实，认真研究、发现和解决存在的问题，必将事与愿违，斩波设备的可靠性将遭受严重的破坏。不知道是出于技术认识问题还是商务

11、目的，近来发现，某些企业对IGBT晶体管倍加推崇，而对晶闸管全面否定，显然，这是不科学的。为了尊重科学和澄清事实，本文就晶闸管和以IGBT为代表的晶体管的性能、特点加以分析和对比，希望能够并引起讨论，还科学以本来面目。IGBT的标称电流与过流能力1）IGBT的额定电流目前，IGBT的额定电流（元件标称的电流）是以器件的最大直流电流标称的，元件实际允许通过的电流受安全工作区的限制而减小，由图1所示的IGBT安全工作区可见，影响通过电流的因素除了c-e电压之外，还有工作频率，频率越低，导通时间越长，元件发热越严重，导通电流越小。显然，为了安全，不可能让元件工作在最大电流状态，必须降低电流使用，因此

12、，IGBT上述的电流标称，实际上降低了元件的电流定额，形成标称虚高，而能力不足。根据图1的特性，当IGBT导通时间较长时（例如100us）,UCE电压将降低标称值的1/2左右;如果保持UCE不变，元件的最大集电极电流将降低额定值的2/3。因此，按照晶闸管的电流标称标准，IGBT的标称电流实际仅为同等晶闸管的1/3左右。例如，标称为300A的IGBT只相当于100A的SCR（晶闸管）。又如，直流工作电流为500A的斩波电路，如果选择晶闸管，当按：式中的Ki为电流裕度系数，取Ki=2，实际可以选择630A标称的晶闸管。如果选择IGBT，应该选择3000A的IGBT元件。IGBT这种沿袭普通晶体管的

13、电流标称准则，在功率开关应用中是否合理，十分值得探讨。但无论结果如何，IGBT的标称电流在应用时必须大打折扣是不争的事实。2）IGBT的过流能力半导体元件的过流能力通常用允许的峰值电流IM来衡量，IGBT目前还没有国际通用的标准，按德国EUPEC、日本三菱等公司的产品参数，IGBT的峰值电流定为最大集电极电流（标称电流）的2倍。例如，标称电流为300A元件的峰值电流为600A;而标称800A元件的峰值电流为1600A。对比晶闸管,按国标，峰值电流为，峰值电流高达10倍额定有效值电流，而且，过流时间长达10ms，而IGBT的允许峰值电流时间据有关资料介绍仅为10us,可见IGBT的过流能力太脆弱

14、了。承受过流的能力强弱是衡量斩波工作可靠与否的关键，要使电路不发生过流几乎是不可能的，负载的变化，工作状态切换的过度过程，都将引发过流和过压，而过流保护毕竟是被动和有限的措施，要使器件安全工作，最终还是要提高器件自身的过流能力。另外，由于受晶体管制造工艺的限制，IGBT很难制成大电流容量的单管芯，较大电流的器件实际是内部小元件的并联，例如，标称电流为600A的IGBT，解剖开是8只75A元件并联，由于元件并联工艺（焊接）的可靠性较差，使器件较比单一管芯的晶闸管在可靠性方面明显降低。IGBT的擎住效应其中的NPN晶体管和体区短路电阻Rbr都是因工艺而寄生形成的，这样，主PNP晶体管与寄生NPN晶

15、体管形成了寄生的晶闸管，当器件的集电极电流足够大时，在电阻Rbr上产生正偏电压将导致寄生晶体管导通，造成寄生晶闸管导通，IGBT的栅极失去控制，器件的电流迅猛上升超过定额值，最终烧毁器件，这种现象称为擎住效应。IGBT存在静态和动态两种擎住效应，分别由导通时的电流和关断时的电压过大而引起，要在实践中根本避免擎住效应是很困难的，这在某种程度大大影响了IGBT的可靠性。IGBT的高阻放大区“晶体管是一种放大器”，ABB公司的半导体专家卡罗尔在文献1中对晶体管给出了中肯评价。晶体管与晶闸管的本质区别在于：晶体管具有放大功能，器件存在导通、截止和放大三个工作区，而放大区的载流子处于非饱和状态，故放大区

16、的电阻远高于导通区；晶闸管是晶体管的正反馈组合，器件只存在导通和截止两个工作区，没有高阻放大区。众所周知，功率半导体器件都是作为开关使用的，有用的工作状态只有导通和截止，放大状态非但没用，反而起负面作用。理由是如果电流通过放大区，由于该区的电阻较大，必然引起剧烈的发热，导致器件烧毁。IGBT从属于晶体管，同样存在高阻放大区，器件在作开关应用时，必然经过放大区引起发热，这是包括IGBT在内的晶体管在开关应用上逊色于晶闸管的原理所在。图4a晶闸管的PNPN结构与等效电路IGBT的封装形式与散热对于半导体器件，管芯温度是最重要的可靠条件，几乎所有的技术参数值都是在允许温度（通常为1200140OC）

17、条件下才成立的，如果温度超标，器件的性能急剧下降，最终导致损坏。半导体器件的封装形式是为器件安装和器件散热服务的。定额200A以上的器件，目前主要封装形式有模块式和平板压接式两种，螺栓式基本已经淘汰。模块式结构多用于将数个器件整合成基本变流电路，例如，整流、逆变模块，具有体积小，安装方便，结构简单等优点，缺点是器件只能单面散热，而且要求底板既要绝缘又要导热性能好（实现起来很困难），只适用于中小功率的单元或器件。平板式结构主要用于单一的大电流器件，是将器件和双面散热器紧固在一起，散热器既作散热又作电极之用。平板式的优点是散热性能好，器件工作安全、可靠。缺点是安装不便，功率单元结构复杂，维护不如模

18、块式方便。综合利弊，当电流大于200A（尤其是500A以上）的半导体器件上首选平板式结构，已经是业内共识，只是IGBT受管芯制作原理的限制，目前无法制造成大功率芯片，不能采用平板式结构，只好采用模块式，虽然安装方便，但散热性能差不利于可靠性，这是不争的事实。IGBT的并联均流问题目前，国外单管IGBT的最大容量为2000A/2500V，实际的商品器件容量为1200A/2400V，根据大功率斩波的需要，通常，额定工作电流为400A1500A，考虑到器件工作安全，必须留有2倍左右的电流裕度，再结合本文前述的IGBT最大电流标称问题，单一器件无法满足要求，必须采用器件并联。半导体器件并联存在的均流问题是影响可靠性的关键，由于受离散性的限制，并联器件的参数不可能完全一致，于是导致并联器件的电流不均，此时的1+1小于2,特别是严重不均流时，通态电流大的器件将损坏，这是半导体器件并联中老大难的问题，为此，要提高斩波包括其它电力电子设备的可靠性，应该尽量避免器件并联，而采用单管大电流器件。从理论上讲，IGBT在大电流状态具有正温度系数，可以改善均流性能，但是毕竟有限，加上可控半导体器件的均流还要考虑驱动一致性，否则，既使导通特性一致，