电力电子器件(4)-IGBT+新型器件

第一章电力电子器件(3)典型全控型器件一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性:在截止状态时，能承受较高的电压；在导通状态时，能承受大电流并具有很低的压降；在开关转换时，开/关速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同时还应具有全控功能。GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；但通态压降低,可制成较高电压和较大电流的开关器件。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；但通态压降大,难以制成高压大电流器件。两类器件取长补短结合而成一些复合器件—Bi-MOS器件（如IGBT)绝缘栅双极晶体管IGBT（Insulated-GateBipolarTransistor）

1983年，美国无线电公司RCA和美国通用电气公司GE几乎同时研制出了新一代功率器件IGBT。在MOSFET的漂移区引入少数载流子进行电荷调制，从而使漂移区电阻显著减少。从而减少电力MOSFET的通态电阻。

IGBT结合GTR和MOSFET的优点，具有比它们更好的特性：输入控制部分为MOSFET，输出级为双极结型晶体管。高输入阻抗，电压控制，驱动功率小。开关速度快，工作频率可达10-40KHZ，随着发展，可提高到50-100kHZ。饱和压降低，电压、电流容量较大，安全工作区较宽。这些优越的性能使得IGBT成为电机控制、开关电源、逆变器、机器人、感应加热以及家用电器中电力电子装置的理想功率器件。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,成为中小功率电力电子设备的主导器件；目前正继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位；在价格方面期待进一步降低。IGBT含有单管及并联快速二极管的单管器件、两单元、六单元、七单元的IGBT模块以及带有驱动、保护功能的智能IGBT模块IPM。IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EE

图1-22a—N沟道MOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT）；

IGBT比MOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1，，IGBT导通时，由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，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，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管；

RN为晶体管基区内的调制电阻。

驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件，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，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。（IGBT的功率部分是一个PNP型GTR，从而使IGBT正向通态电阻更近似于GTR，比MOSFET小得多，因此即使高耐压的器件也有较低的通态压降。）关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。此外，当Uce<0时，IGBT为反向阻断状态。IGBT的基本特性IGBT的静态特性转移特性和输出特性转移特性——IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为2~6V输出特性（伏安特性）——以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系分为三个区域：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uCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态，不具有逆导能力。IGBT的动态特性IGBT的开通过程

与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行开通延迟时间td(on)

——从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10%ICM

所需时间

电流上升时间tr

——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间

开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程IGBT的关断过程（开关过程图）关断延迟时间td(off)——从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM

电流下降时间——iC从90%ICM下降至10%ICM

关断时间toff——关断延迟时间与电流下降之和电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢

IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFETIGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数IGBT的主要参数和特点最大集射极间电压UCES：由内部PNP晶体管的击穿电压确定最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP最大集电极功耗PCM：正常工作温度下允许的最大功耗IGBT的特性和参数特点(1)

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，与电力MOSFET相当；(2)

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；(3)

通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；(4)

输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似；(5)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。(6)IGBT往往与反向并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。目前还有多管模块和IPM（IGBT+控制和保护电路）。IGBT的擎住效应（自锁效应）擎住效应或自锁效应：在IGBT内部由于内部寄生了一个由NPN晶体管和作为主开关器件的PNP晶体管组成的寄生晶闸管。在额定集电极电流时，NPN晶体管的BE极间的体区短路电阻上的压降较小，不能使寄生晶闸管开通。

但如果由于某种条件使得该压降加大，从而使寄生晶闸管导通，那么就会由于寄生晶闸管的强烈正反馈作用，使得栅极失去对集电极的控制作用，导致器件始终开通，功耗过高而损坏。

发生原因集电极电流过大（静态擎住效应），dUCE/dt过大（动态擎住效应）温度过高集电极电源电压过高擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。为避免擎住效应,设计电路时应保证IGBT的电流不超过最大漏极电流IDM,或者用加大门极电阻的办法延长IGBT的关断时间.器件制造厂家也在IGBT的工艺与结构上想方设法尽可能避免产生擎住效应.IGBT安全工作区开通和关断时,IGBT均具有较宽的安全工作区。正向偏置安全工作区（FBSOA）——由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定由IGBT在导通工作状态的参数极限范围反向偏置安全工作区（RBSOA）——

由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定IGBT在阻断工作状态的参数极限范围东芝IGBT模块其他新型电力电子器件MOS控制晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管IGCT功率模块与功率集成电路MCT

MOSControlledThyristorMOSFET与晶闸管的复合MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程晶闸管的高电压大电流、低导通压降一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFETMCT的一个重要特性是，即使关断失效，器件也不会损坏。当工作电压超出安全工作区范围时，MCT可能失效。当峰值可控电流超过安全工作区时，MCT不会自然损坏，而只是不能用门极关断而已。这一性能特点说明MCT可用简单的熔断器进行短路保护。MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。目前，IGBT更被看好。SIT

（StaticInductionTransistor）结型场效应晶体管，简称JFET小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件；多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合；最重要的特征是在门源短路，即门源电压为零时，器件处于导通状态。栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，为其正常的导通关断方式。使用不太方便；通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用；SITH

（StaticInductionThyristor）1972年，在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管（FieldControlledThyristor——FCT）；或双极静电感应晶闸管BSITH,是大功率场控器件。

比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件；由于SITH的工作频率可达100KHZ以上，所以在高频感应加热电源中，SITH可取代传统的真空三极管。

SITH一般也是正常导通型（栅极不加信号时导通），但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。IGCT

（IntegratedGate-CommutatedThyristor）也称GCT（Gate-CommutatedThyristor），20世纪90年代后期出现，是一种在大功率开关器件GTO基础上改进而成的新型大功率电力电子器件结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；IGCT的关断时间降低了30%，功耗降低40%。IGCT不需要吸收电路，可以像晶闸管一样导通，像IGBT一样关断，并且具有最低的功率损耗IGCT在使用时只需将它连接到一个20V的电源和一根光纤上就可以控制它的开通和关断由于IGCT设计理想，使得IGCT的开通损耗可以忽略不计，再加上它的低导通损耗，使得它可以在以往大功率半导体器件所无法满足的高频率下运行目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。功率集成电路

（PowerIntegratedCircuit——PIC）20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将至少一个半导体功率器件和一个独立功能电路的单片集成电路。是第四大类电力半导体器件，（其余为单极型、双极型和复合型器件）多个器件封装在一个模块中，称为功率模块将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上高压集成电路（HighVoltageIC——HVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成；电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。智能功率集成电路（SmartPowerIC——SPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成；电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。智能功率模块IPM

（IntelligentPowerModule——）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM中的功率器件一般由IGBT充当。由于IPM体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM主要用于交流电机控制、家用电器等。富士IPM模块功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理；以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合;IPM在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。目前最新的IPM产品已经应用于高速子弹头列车牵引的大功率场合；功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。电力电子器件分类“树”常用电力半导体开关器件性能对比可控性驱