電力電子器件(4)-IGBT+新型器件

第一章電力電子器件(3)典型全控型器件一個理想的功率器件，應當具有下列理想的靜態(tài)和動態(tài)特性:在截止狀態(tài)時，能承受較高的電壓；在導通狀態(tài)時，能承受大電流并具有很低的壓降；在開關轉換時，開/關速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同時還應具有全控功能。GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅動，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜；但通態(tài)壓降低,可制成較高電壓和較大電流的開關器件。MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單；但通態(tài)壓降大,難以制成高壓大電流器件。兩類器件取長補短結合而成一些復合器件—Bi-MOS器件（如IGBT)絕緣柵雙極晶體管IGBT（Insulated-GateBipolarTransistor）

1983年，美國無線電公司RCA和美國通用電氣公司GE幾乎同時研制出了新一代功率器件IGBT。在MOSFET的漂移區(qū)引入少數(shù)載流子進行電荷調(diào)制，從而使漂移區(qū)電阻顯著減少。從而減少電力MOSFET的通態(tài)電阻。

IGBT結合GTR和MOSFET的優(yōu)點，具有比它們更好的特性：輸入控制部分為MOSFET，輸出級為雙極結型晶體管。高輸入阻抗，電壓控制，驅動功率小。開關速度快，工作頻率可達10-40KHZ，隨著發(fā)展，可提高到50-100kHZ。飽和壓降低，電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)較寬。這些優(yōu)越的性能使得IGBT成為電機控制、開關電源、逆變器、機器人、感應加熱以及家用電器中電力電子裝置的理想功率器件。1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,成為中小功率電力電子設備的主導器件；目前正繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位；在價格方面期待進一步降低。IGBT含有單管及并聯(lián)快速二極管的單管器件、兩單元、六單元、七單元的IGBT模塊以及帶有驅動、保護功能的智能IGBT模塊IPM。IGBT的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EE

圖1-22a—N溝道MOSFET與GTR組合——N溝道IGBT（N-IGBT）；

IGBT比MOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結J1，，IGBT導通時，由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進行調(diào)制，使得IGBT具有很強的通流能力；簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管；

RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

驅動原理與電力MOSFET基本相同，屬于場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定

導通：UGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。

導通壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。（IGBT的功率部分是一個PNP型GTR，從而使IGBT正向通態(tài)電阻更近似于GTR，比MOSFET小得多，因此即使高耐壓的器件也有較低的通態(tài)壓降。）關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。此外，當Uce<0時，IGBT為反向阻斷狀態(tài)。IGBT的基本特性IGBT的靜態(tài)特性轉移特性和輸出特性轉移特性——IC與UGE間的關系，與MOSFET轉移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時，UGE(th)的值一般為2~6V輸出特性（伏安特性）——以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關系分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應uCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)，不具有逆導能力。IGBT的動態(tài)特性IGBT的開通過程

與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行開通延遲時間td(on)

——從uGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10%ICM

所需時間

電流上升時間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間

開通時間ton——開通延遲時間與電流上升時間之和uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程IGBT的關斷過程（開關過程圖）關斷延遲時間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到iC下降至90%ICM

電流下降時間——iC從90%ICM下降至10%ICM

關斷時間toff——關斷延遲時間與電流下降之和電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢

IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調(diào)制效應的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關斷時間也是需要折衷的參數(shù)IGBT的主要參數(shù)和特點最大集射極間電壓UCES：由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定最大集電極電流：包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP最大集電極功耗PCM：正常工作溫度下允許的最大功耗IGBT的特性和參數(shù)特點(1)

開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V以上時，開關損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當；(2)

相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力；(3)

通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域；(4)

輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似；(5)與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。(6)IGBT往往與反向并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件。目前還有多管模塊和IPM（IGBT+控制和保護電路）。IGBT的擎住效應（自鎖效應）擎住效應或自鎖效應：在IGBT內(nèi)部由于內(nèi)部寄生了一個由NPN晶體管和作為主開關器件的PNP晶體管組成的寄生晶閘管。在額定集電極電流時，NPN晶體管的BE極間的體區(qū)短路電阻上的壓降較小，不能使寄生晶閘管開通。

但如果由于某種條件使得該壓降加大，從而使寄生晶閘管導通，那么就會由于寄生晶閘管的強烈正反饋作用，使得柵極失去對集電極的控制作用，導致器件始終開通，功耗過高而損壞。

發(fā)生原因集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應），dUCE/dt過大（動態(tài)擎住效應）溫度過高集電極電源電壓過高擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。為避免擎住效應,設計電路時應保證IGBT的電流不超過最大漏極電流IDM,或者用加大門極電阻的辦法延長IGBT的關斷時間.器件制造廠家也在IGBT的工藝與結構上想方設法盡可能避免產(chǎn)生擎住效應.IGBT安全工作區(qū)開通和關斷時,IGBT均具有較寬的安全工作區(qū)。正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）——由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定由IGBT在導通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——

由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍東芝IGBT模塊其他新型電力電子器件MOS控制晶閘管MCT靜電感應晶體管SIT靜電感應晶閘管SITH集成門極換流晶閘管IGCT功率模塊與功率集成電路MCT

MOSControlledThyristorMOSFET與晶閘管的復合MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、快速的開關過程晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關斷的MOSFETMCT的一個重要特性是，即使關斷失效，器件也不會損壞。當工作電壓超出安全工作區(qū)范圍時，MCT可能失效。當峰值可控電流超過安全工作區(qū)時，MCT不會自然損壞，而只是不能用門極關斷而已。這一性能特點說明MCT可用簡單的熔斷器進行短路保護。MCT曾一度被認為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀80年代以來一度成為研究的熱點。但經(jīng)過十多年的努力，其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數(shù)值，未能投入實際應用。目前，IGBT更被看好。SIT

（StaticInductionTransistor）結型場效應晶體管，簡稱JFET小功率SIT器件的橫向導電結構改為垂直導電結構，即可制成大功率的SIT器件；多子導電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合；最重要的特征是在門源短路，即門源電壓為零時，器件處于導通狀態(tài)。柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，為其正常的導通關斷方式。使用不太方便；通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設備中得到廣泛應用。在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得應用；SITH

（StaticInductionThyristor）1972年，在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導電類型不同的發(fā)射極層而得到，因其工作原理與SIT類似，門極和陽極電壓均能通過電場控制陽極電流，因此SITH又被稱為場控晶閘管（FieldControlledThyristor——FCT）；或雙極靜電感應晶閘管BSITH,是大功率場控器件。

比SIT多了一個具有少子注入功能的PN結，SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調(diào)制效應，通態(tài)壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關速度比GTO高得多，是大容量的快速器件；由于SITH的工作頻率可達100KHZ以上，所以在高頻感應加熱電源中，SITH可取代傳統(tǒng)的真空三極管。

SITH一般也是正常導通型（柵極不加信號時導通），但也有正常關斷型。此外，其制造工藝比GTO復雜得多，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。IGCT

（IntegratedGate-CommutatedThyristor）也稱GCT（Gate-CommutatedThyristor），20世紀90年代后期出現(xiàn)，是一種在大功率開關器件GTO基礎上改進而成的新型大功率電力電子器件結合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，開關速度快10倍可省去GTO龐大而復雜的緩沖電路，只不過所需的驅動功率仍很大；IGCT的關斷時間降低了30%，功耗降低40%。IGCT不需要吸收電路，可以像晶閘管一樣導通，像IGBT一樣關斷，并且具有最低的功率損耗IGCT在使用時只需將它連接到一個20V的電源和一根光纖上就可以控制它的開通和關斷由于IGCT設計理想，使得IGCT的開通損耗可以忽略不計，再加上它的低導通損耗，使得它可以在以往大功率半導體器件所無法滿足的高頻率下運行目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。功率集成電路

（PowerIntegratedCircuit——PIC）20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將至少一個半導體功率器件和一個獨立功能電路的單片集成電路。是第四大類電力半導體器件，（其余為單極型、雙極型和復合型器件）多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成；電流容量較小，而控制電路的電流密度較大，故常用于小型電機驅動、平板顯示驅動及長途電話通信電路等高電壓、小電流場合。智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成；電流容量大而耐壓能力差，適合作為電機驅動、汽車功率開關及調(diào)壓器等。智能功率模塊IPM

（IntelligentPowerModule——）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）IPM除了集成功率器件和驅動電路以外，還集成了過壓、過流、過熱等故障監(jiān)測電路，并可將監(jiān)測信號傳送至CPU，以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。當前，IPM中的功率器件一般由IGBT充當。由于IPM體積小、可靠性高、使用方便，故深受用戶喜愛。IPM主要用于交流電機控制、家用電器等。富士IPM模塊功率集成電路的主要技術難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理；以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應用場合;IPM在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。目前最新的IPM產(chǎn)品已經(jīng)應用于高速子彈頭列車牽引的大功率場合；功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。電力電子器件分類“樹”常用電力半導體開關器件性能對比可控性驅