電力電子技術(shù)-第2章-器件5-IGBT講解課件

2.4.4絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。

MOSFET的特點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡單。但高壓器件導(dǎo)通電阻較大，通流能力受限。由于MOS器件發(fā)展遇到了提高電壓與降低導(dǎo)通電阻、降低損耗的尖銳矛盾，RCA、GE、MOTLOLA公司在80年代初期幾乎同時(shí)研制出了IGBT。12.4.4絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的

IGBT絕緣柵極雙極晶體管開關(guān)頻率高于BJT，低于MOSFET。導(dǎo)通電阻低于MOSFET，與BJT相當(dāng)。耐壓高、電流容量大。(1.7kV/4.8kA，6.5kV/600A)IGBT由若干獨(dú)立的單元并聯(lián)組成。2IGBT絕緣柵極雙極晶體管開關(guān)頻率高于BJT，低于MOSFIGBT的結(jié)構(gòu)三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖為N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與N溝道MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)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。3IGBT的結(jié)構(gòu)三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E3IGBT的結(jié)構(gòu)IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，IGBT導(dǎo)通時(shí)P+往N-漂移區(qū)發(fā)射電子，對漂移區(qū)電阻率進(jìn)行調(diào)制，使IGBT具備較大的通流能力，解決電力MOSFTE中追求高耐壓與低通態(tài)電阻之間的矛盾。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)4IGBT的結(jié)構(gòu)IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，IIGBT的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與電力MOSFET區(qū)別于N＋層被P＋層替換形成IGBT的集電極IGBT＝MOSFET＋P＋N－P晶體管Q2組合形成。寄生有基射短路的N-PN+晶體管Q1。通常Q1始終截止。Q1導(dǎo)通將產(chǎn)生摯住效應(yīng)導(dǎo)致關(guān)斷困難。過高的dUce/dt可使Q1導(dǎo)通?，F(xiàn)代產(chǎn)品已可有效防止其導(dǎo)通。Q2的出現(xiàn)使工作時(shí)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，克服了高耐壓與導(dǎo)通電阻的矛盾。5IGBT的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與電力MOSFET區(qū)別于N＋層被P＋層替換IGBT實(shí)用等效電路Q1截止時(shí)IGBT的實(shí)用等效電路Uce<0,P+N-反偏，反向阻斷。Uce>0,N-P反偏，正向阻斷。正反阻斷能力近似相等。6IGBT實(shí)用等效電路Q1截止時(shí)IGBT的實(shí)用等效電路6IGBT的工作原理

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)7IGBT的工作原理

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的靜態(tài)特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)UCE<0時(shí)，IGBT處于方向阻斷工作狀態(tài)，在系統(tǒng)運(yùn)行中，IGBT處于開關(guān)狀態(tài)，因而在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。8a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)IGBT的動(dòng)態(tài)特性：開通特性IGBT的開通過程：與MOSFET的相似。開通延遲時(shí)間td(on)：10%uGE到10%iC幅值時(shí)間。電流上升時(shí)間tr：10%iC幅值上升到90%iC幅值時(shí)間。集射電壓下降時(shí)間tfv：uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程，該過程uGE保持不變，即處于米勒平臺；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程，由于uCE下降時(shí)MOSFET柵漏電容增加，而且PNP管由放大到轉(zhuǎn)入飽和需要時(shí)間，所以tfv2過程變緩。只有tfv2結(jié)束時(shí)，IGBT才進(jìn)入飽和狀態(tài)9IGBT的動(dòng)態(tài)特性：開通特性IGBT的開通過程：與MOSFEIGBT的動(dòng)態(tài)特性：關(guān)斷特性IGBT的關(guān)斷過程：與MOSFET的相似。關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)：90%uGE到10%uCE幅值時(shí)間。集射電壓上升時(shí)間trv：

uGE電壓不變。集電極電流下降時(shí)間tfi：90%iCM幅值下降到10%iCM幅值時(shí)間。下降過程分為tfi1和tfi2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET關(guān)斷過程，電流下降速度較快。tfv2——PNP晶體管關(guān)斷過程，MOSFET已經(jīng)關(guān)斷，IGBT無反壓，N基區(qū)少子復(fù)合緩慢，造成集電極電流下降較慢。該時(shí)間段電流成為：拖尾電流。（可以如GTR降低飽和程度來提高速度，但損耗增加）10IGBT的動(dòng)態(tài)特性：關(guān)斷特性IGBT的關(guān)斷過程：與MOSFEIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，但是由于引入了少子IGBT的關(guān)斷速度比MOSFET要低。相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。11IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，但是由于引入擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：

在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+NP-晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN管基射極間存在體短路電阻，體區(qū)電流會(huì)在其上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)加正偏，一旦J3開通，柵極會(huì)失去對集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件功耗過高損壞。該電流失控現(xiàn)象，像晶閘管被觸發(fā)后，撤銷觸發(fā)信號晶閘管仍然進(jìn)入正反饋而維持導(dǎo)通的機(jī)理一樣，被稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。引發(fā)原因：集電極電流過大(靜態(tài)擎住效應(yīng))，duce/dt過大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），溫升過高。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決。12擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N絕緣柵雙極晶體管IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件?！畲蠹姌O電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——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。正偏安全工作區(qū)（FBSOA）13絕緣柵雙極晶體管IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起3)IGBT的主要參數(shù)——正常工作溫度下允許的最大功耗。(3)

最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES143)IGBT的主要參數(shù)——正常工作溫度下允許的最大功耗IGBT_5SNS0300U120100主要參數(shù)：VCES1200VIC(DC)300ATc(OP)-40~125oCVCESAT

IC300A,VGE15V:

1.9V25oC,2.1V125oCtdon

IC300AVcc600V25oC150ns125oC180nstfon80nstdoff

25oC770ns125oC750nstfon70ns15IGBT_5SNS0300U120100主要參數(shù)：15IGBT_5SNA600G650100主要參數(shù)：VCES6500VIC(DC)600AVCESAT

IC600A,VGE15V:

4.2V

25oC,5.5V125oCtdon

IC600AVcc3000V640ns/

570nstfon270nstdoff

1540ns/

1860nstfon620ns/960ns耐壓增加，管開通損耗顯著增加；開關(guān)時(shí)間也明顯增加16IGBT_5SNA600G650100主要參數(shù)：16功率MOSFET與IGBT的比較導(dǎo)通壓降功率MOSFET溝道電阻隨擊穿電壓增加迅速增加，高壓管導(dǎo)通壓降顯著大于低壓管。IGBT中通態(tài)壓降FET段僅占總壓降很小份額，晶體管段電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使通態(tài)壓降隨耐壓增漲較小。17功率MOSFET與IGBT的比較導(dǎo)通壓降17溫度特性

功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)溫升溝道電阻速增，200度時(shí)可達(dá)室溫時(shí)的3倍?？紤]溫升必須降電流定額使用。IGBT可在近200度下連續(xù)運(yùn)行。導(dǎo)通時(shí)，MOS段的N通道電阻具有正溫度系數(shù)，Q2的射基結(jié)具有負(fù)溫度系數(shù)，總通態(tài)壓降受溫度影響非常小。開關(guān)特性開通特性二者等同。關(guān)斷時(shí)IGBT漂移區(qū)電荷僅靠復(fù)合移除緩慢，電流拖尾過程長，而MOSFET為多子載流，無存儲(chǔ)電荷移除反向恢復(fù)過程，關(guān)斷時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于IGBT。IGBT關(guān)斷拖尾時(shí)間隨溫升增漲。IGBT適于高壓低開關(guān)頻率，功率MOS管則相反18溫度特性

功率MOSFET18IGBT功耗的計(jì)算19IGBT功耗的計(jì)算19IGBT的技術(shù)發(fā)展第6代IGBT模塊通過改進(jìn)CSTBTTM的元胞結(jié)構(gòu),在確保安全工作區(qū)的前提下降低了通態(tài)電阻。同時(shí),模塊里搭載了新開發(fā)的具有較低的通態(tài)壓降的續(xù)流二極管。通過這些措施,在變頻運(yùn)行時(shí)新產(chǎn)品的功耗比傳統(tǒng)產(chǎn)品降低約20％。

主要解決摯住效應(yīng)改善飽和壓降和開關(guān)特性：N+緩沖層、P+層濃度、厚度最佳化、新壽命控制，飽和壓降、下降時(shí)間均降低了30%以上。微細(xì)化工藝溝槽技術(shù)有選擇的壽命控制，飽和壓降和關(guān)斷時(shí)間下降到1.5V/0.1ms。20IGBT的技術(shù)發(fā)展第6代IGBT模塊通過改進(jìn)CSTBTTM2.5其他新型電力電子器件【簡介】MOS控制晶閘管MCT靜電感應(yīng)晶體管SIT靜電感應(yīng)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212.5其他新型電力電子器件【簡介】MOS控制晶閘管MCT2.5.1

MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復(fù)合222.5.1MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)MCT的結(jié)構(gòu)與特性低導(dǎo)通損耗，高電流容量，驅(qū)動(dòng)簡單，開關(guān)頻率較高。Q1、2組成晶閘管，N型MOS管Q4、P型Q3連Q1、2基極。開：Q4正偏，Q3關(guān)斷；柵極下P反型，Q1射基電流經(jīng)Q4流向陰極，同時(shí)Q1導(dǎo)通集電極電流形成Q2基極電流，Q2導(dǎo)通，電流再生形成直到管開通完成。開通無需門極提供觸發(fā)電流。觸發(fā)電流由陽極提供。關(guān)：Q4負(fù)偏關(guān)斷，Q3導(dǎo)通短路Q2基射極使Q2增益大大下降，正反饋效應(yīng)導(dǎo)致Q2、Q1關(guān)斷。23MCT的結(jié)構(gòu)與特性低導(dǎo)通損耗，高電流容量，驅(qū)動(dòng)簡單，開關(guān)頻率MCT的溫度特性溫度升高，導(dǎo)通壓降減小。局部過熱可能導(dǎo)致局部過流損壞。關(guān)斷時(shí)間隨溫度升高增加。最大可控電流密度隨溫度升高迅速下降。此特性嚴(yán)重限制了MCT在高溫下的運(yùn)行。器件水平：300A/3kV。國內(nèi)：西安電力電子研究所9A/300V樣品?，F(xiàn)狀：經(jīng)歷17年研制、基本終止。24MCT的溫度特性溫度升高，導(dǎo)通壓降減小。局部過熱可能導(dǎo)致局部2.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT【略】多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點(diǎn)：柵極不加信號時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，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(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。SIT（StaticInductionTransistor）——結(jié)型場效應(yīng)晶體管252.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT【略】SIT（Stati2.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH【略】SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）——場控晶閘管（FieldControlledThyristor—FCT）262.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH【略】SITH是兩種載2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍?？墒∪TO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。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.IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）——GCT（Gate-CommutatedThyristor）272.5.4集成門極換流晶閘管IGCT20世紀(jì)90年代后期門極換流（GCT）的工作原理通態(tài)等同于SCR，具有大電流容量和低導(dǎo)通電阻。關(guān)斷態(tài)門陰結(jié)反偏有效地退出工作。當(dāng)門極電壓正偏時(shí)，管子導(dǎo)通，象晶閘管一樣產(chǎn)生正反饋，電流很大，通態(tài)壓降很低;反偏時(shí)，阻止陰極注入電流，全部陽極電流瞬間強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為門極電流，象一個(gè)沒有了陰極正反饋?zhàn)饔玫腘PN晶體管，陽性電流從門極均勻流出，由通態(tài)變?yōu)閿鄳B(tài)。

28門極換流（GCT）的工作原理通態(tài)等同于SCR，具有大電流容量IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理集成門極換流晶閘管(IntegratedGateCommutatedThyristor1997)多層板驅(qū)動(dòng)集成有效減小門極驅(qū)動(dòng)引線電感、器件開關(guān)時(shí)間一致性高。僅需20V電源驅(qū)動(dòng)。29IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理集成門極換流晶閘管(IntegratIGCT主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)透明陽極:發(fā)射極薄PN結(jié)構(gòu)造。其損耗和開通閾值電壓都很低。關(guān)斷時(shí)基區(qū)電子可透過透明陽極達(dá)到金屬接觸面復(fù)合，縮短關(guān)斷時(shí)間。透明陽極使門極驅(qū)動(dòng)所需電流小，開通加快。30IGCT主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)透明陽極:發(fā)射極薄PN結(jié)構(gòu)造。30IGCT的門極結(jié)構(gòu)緩沖層逆導(dǎo):集成反并聯(lián)D，反向恢復(fù)特性好。開通瞬間無抑制di/dt能力，需外加抑制電路。31IGCT的門極結(jié)構(gòu)緩沖層31IGCT的結(jié)構(gòu)在N-P+間引入N緩沖層，并降低N-層摻雜濃度，降低通態(tài)和開關(guān)損耗，芯片厚度比同等級GTO減小約40％。開通與GTO相似：GTO與MOSFET同步驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。關(guān)斷：G1<0，門極分流部分主電流，然后MOSFET關(guān)斷，使主電流全部通過門極流出，此換流過程時(shí)間約為1微秒。此時(shí)IGCT的門陰間PN結(jié)首先反偏，Q1變?yōu)闊o接觸基區(qū)的晶體管而關(guān)斷，沒有載流子收縮效應(yīng)，不會(huì)因結(jié)充電誘發(fā)電流再生，無須附加電壓上升吸收電路，與GTO完全不同。

32IGCT的結(jié)構(gòu)在N-P+間引入N緩沖層，并降低N-層摻雜濃度IGCT與GTO關(guān)斷比較33IGCT與GTO關(guān)斷比較33IGCT的開關(guān)電路[略]緩沖電路抑制陽極電流上升率和關(guān)斷電壓超調(diào)。34IGCT的開關(guān)電路[略]緩沖電路抑制陽極電流上升率和關(guān)斷電壓開通過程[略]門極正偏，UAK電壓下降(B)，緩沖電路使陽極電流在電壓下降期間緩升。零壓期(C):陽極電流線性上升、續(xù)流管電流線性下降。續(xù)流管反向恢復(fù)期(D)反向電流衰減期(E)91mm4.5kV/3.5kA的IGCT典型ton=10ms。35開通過程[略]門極正偏，UAK電壓下降(B)，緩沖電路使陽極關(guān)斷過程[略]門陰換流(a):門極驅(qū)動(dòng)低電感、門極電流迅速負(fù)增漲，陰極電流迅速下降。陽極電流基本不變，門極電流＝陽陰極電流差。陽極電壓上升(b):陰極電流＝0后，Q1退飽和進(jìn)入放大區(qū)。續(xù)流管換流(c):陽極電壓超電源，續(xù)流管導(dǎo)通續(xù)流，陽極電流下降。4.5kV/3.5kA器件toff典型值＝10ms。同等GTO為80ms。36關(guān)斷過程[略]門陰換流(a):門極驅(qū)動(dòng)低電感、門極電流迅速IGCT與GTO的導(dǎo)通壓降比較37IGCT與GTO的導(dǎo)通壓降比較37IGCT－5SHY35L4510主要技術(shù)參數(shù)最大可重復(fù)峰值正向阻斷電壓：VDRM4500V最大DC正向阻斷電壓：VDCLink2800V最大反向電壓：IGCT阻斷時(shí)17V，導(dǎo)通時(shí)10V。最大平均電流：1700A最大有效值電流：2700A最大非重復(fù)脈沖電流(10ms)：32000A最大通態(tài)壓降：2.7V(125oC,4000A)最大通態(tài)電阻：0.325mW最大電流上升率：0～500Hz1000A/ms最大可斷電流:4000A38IGCT－5SHY35L4510主要技術(shù)參數(shù)最大可重復(fù)峰IGCT實(shí)例參數(shù)2·最大門極功率：100W最小門極電壓：28V最大門極電壓：40V

光控I/O最小開通時(shí)間：10ms光控I/O最小關(guān)斷時(shí)間：10ms光控I/O最小開關(guān)周期時(shí)間：60ms最優(yōu)工作頻率范圍：1kHz當(dāng)前水平：4.5kV～5.5kV/3120A能在6000A下不用緩沖關(guān)斷、集成門極引線電感極低、關(guān)斷門極電流上升率可達(dá)6000A/微秒。開通電流上升率可達(dá)1000A/微秒。39IGCT實(shí)例參數(shù)2·最大門極功率：2.5.5

功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）?；靖拍?02.5.5功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期開2.5.5

功率模塊與功率集成電路高壓集成電路（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。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。智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。實(shí)際應(yīng)用電路412.5.5功率模塊與功率集成電路高壓集成電路（High2.5.5

功率模塊與功率集成電路功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：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(yīng)用場合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。發(fā)展現(xiàn)狀422.5.5功率模塊與功率集成電路功率集成電路的主要技術(shù)難芯片級功率系統(tǒng)集成的發(fā)展集成化電力電子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)芯片（百瓦以下）PowerSystemonChip,PSOC將微處理器,控制、信號處理、接口、小功率變換和保護(hù)電路集成在同一硅片上。標(biāo)準(zhǔn)模塊（千瓦級）PowerSysteminPackage,PSIP若干塊功率器件、控制、接口、保護(hù)的裸芯片及表貼元件用厚膜技術(shù)集成在同一導(dǎo)熱基板上，封裝成模塊。功率無源元件集成國內(nèi)02年：DC/DC模塊系統(tǒng)集成（浙大、西交）43芯片級功率系統(tǒng)集成的發(fā)展集成化電力電子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)芯片（百瓦以下本節(jié)要點(diǎn)電力MOSFET和IGBT的開關(guān)特性、典型關(guān)斷時(shí)間各自的優(yōu)缺點(diǎn)，主要應(yīng)用功率、開關(guān)頻率范圍開關(guān)損耗與通態(tài)損耗的計(jì)算及其與開關(guān)頻率的關(guān)系44本節(jié)要點(diǎn)電力MOSFET和IGBT的開關(guān)特性、典型關(guān)斷時(shí)間4思考題、習(xí)題IGBT工作波形近似如圖，開關(guān)頻率為40kHz，導(dǎo)通壓降為1.7V,求IGBT的平均功率損耗。2、InternationalRectifierMOSFETIRF1010開關(guān)電路如圖，VDD=21V,Io=25A，通態(tài)電阻為0.014W,嵌位二極管反向恢復(fù)時(shí)間可忽略。求功率管在以500kHz,50％導(dǎo)通控制時(shí)的總損耗。其中45思考題、習(xí)題IGBT工作波形近似如圖，開關(guān)頻率為40kHz，思考題作為開關(guān)使用的電力MOSFET主要的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？IGBT吸收了晶體管和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，它能夠像電力MOSFET一樣驅(qū)動(dòng)，像BJT一樣通過大電流，承受高阻斷電壓，是否它可以全面取代晶體管和MOSFET？為什么IGBT在關(guān)斷時(shí)有電壓上升率限制？為什么IGBT關(guān)斷時(shí)間要長于MOSFET？為什么在討論開通損耗時(shí)數(shù)據(jù)手冊中對IGBT給出的是導(dǎo)通壓降而場效應(yīng)管給出的是導(dǎo)通電阻？46思考題作為開關(guān)使用的電力MOSFET主要的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？46參考文獻(xiàn)S.Bernet,“Recentdevelopmentsofhighpowerconvertersforindustryandtractionapplications,”IEEETransactionsonPowerElectronics,Vol.15,No.6,November2000,pp.1102-1117.P.K.Steimer,“IGCT-anewemergingforhighpower,lowcostinverters,”IEEEIndustryApplicationsMagazine,July/August1999,pp12-18L.Lorenz,G.Deboy,M.MBz,J.-P.Stengl,A.Bachofner,“DrasticReductionofOn-ResistancewithCoolMOS,”pp.250-258,PCIMEurope,5(1998)47參考文獻(xiàn)S.Bernet,“Recentdevelopm2.4.4絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。

MOSFET的特點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡單。但高壓器件導(dǎo)通電阻較大，通流能力受限。由于MOS器件發(fā)展遇到了提高電壓與降低導(dǎo)通電阻、降低損耗的尖銳矛盾，RCA、GE、MOTLOLA公司在80年代初期幾乎同時(shí)研制出了IGBT。482.4.4絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的

IGBT絕緣柵極雙極晶體管開關(guān)頻率高于BJT，低于MOSFET。導(dǎo)通電阻低于MOSFET，與BJT相當(dāng)。耐壓高、電流容量大。(1.7kV/4.8kA，6.5kV/600A)IGBT由若干獨(dú)立的單元并聯(lián)組成。49IGBT絕緣柵極雙極晶體管開關(guān)頻率高于BJT，低于MOSFIGBT的結(jié)構(gòu)三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖為N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與N溝道MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)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。50IGBT的結(jié)構(gòu)三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E3IGBT的結(jié)構(gòu)IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，IGBT導(dǎo)通時(shí)P+往N-漂移區(qū)發(fā)射電子，對漂移區(qū)電阻率進(jìn)行調(diào)制，使IGBT具備較大的通流能力，解決電力MOSFTE中追求高耐壓與低通態(tài)電阻之間的矛盾。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)51IGBT的結(jié)構(gòu)IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，IIGBT的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與電力MOSFET區(qū)別于N＋層被P＋層替換形成IGBT的集電極IGBT＝MOSFET＋P＋N－P晶體管Q2組合形成。寄生有基射短路的N-PN+晶體管Q1。通常Q1始終截止。Q1導(dǎo)通將產(chǎn)生摯住效應(yīng)導(dǎo)致關(guān)斷困難。過高的dUce/dt可使Q1導(dǎo)通。現(xiàn)代產(chǎn)品已可有效防止其導(dǎo)通。Q2的出現(xiàn)使工作時(shí)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，克服了高耐壓與導(dǎo)通電阻的矛盾。52IGBT的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與電力MOSFET區(qū)別于N＋層被P＋層替換IGBT實(shí)用等效電路Q1截止時(shí)IGBT的實(shí)用等效電路Uce<0,P+N-反偏，反向阻斷。Uce>0,N-P反偏，正向阻斷。正反阻斷能力近似相等。53IGBT實(shí)用等效電路Q1截止時(shí)IGBT的實(shí)用等效電路6IGBT的工作原理

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)54IGBT的工作原理

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的靜態(tài)特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)UCE<0時(shí)，IGBT處于方向阻斷工作狀態(tài)，在系統(tǒng)運(yùn)行中，IGBT處于開關(guān)狀態(tài)，因而在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。55a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)IGBT的動(dòng)態(tài)特性：開通特性IGBT的開通過程：與MOSFET的相似。開通延遲時(shí)間td(on)：10%uGE到10%iC幅值時(shí)間。電流上升時(shí)間tr：10%iC幅值上升到90%iC幅值時(shí)間。集射電壓下降時(shí)間tfv：uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程，該過程uGE保持不變，即處于米勒平臺；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程，由于uCE下降時(shí)MOSFET柵漏電容增加，而且PNP管由放大到轉(zhuǎn)入飽和需要時(shí)間，所以tfv2過程變緩。只有tfv2結(jié)束時(shí)，IGBT才進(jìn)入飽和狀態(tài)56IGBT的動(dòng)態(tài)特性：開通特性IGBT的開通過程：與MOSFEIGBT的動(dòng)態(tài)特性：關(guān)斷特性IGBT的關(guān)斷過程：與MOSFET的相似。關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)：90%uGE到10%uCE幅值時(shí)間。集射電壓上升時(shí)間trv：

uGE電壓不變。集電極電流下降時(shí)間tfi：90%iCM幅值下降到10%iCM幅值時(shí)間。下降過程分為tfi1和tfi2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET關(guān)斷過程，電流下降速度較快。tfv2——PNP晶體管關(guān)斷過程，MOSFET已經(jīng)關(guān)斷，IGBT無反壓，N基區(qū)少子復(fù)合緩慢，造成集電極電流下降較慢。該時(shí)間段電流成為：拖尾電流。（可以如GTR降低飽和程度來提高速度，但損耗增加）57IGBT的動(dòng)態(tài)特性：關(guān)斷特性IGBT的關(guān)斷過程：與MOSFEIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，但是由于引入了少子IGBT的關(guān)斷速度比MOSFET要低。相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。58IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，但是由于引入擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：

在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+NP-晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN管基射極間存在體短路電阻，體區(qū)電流會(huì)在其上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)加正偏，一旦J3開通，柵極會(huì)失去對集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件功耗過高損壞。該電流失控現(xiàn)象，像晶閘管被觸發(fā)后，撤銷觸發(fā)信號晶閘管仍然進(jìn)入正反饋而維持導(dǎo)通的機(jī)理一樣，被稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。引發(fā)原因：集電極電流過大(靜態(tài)擎住效應(yīng))，duce/dt過大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），溫升過高。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決。59擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N絕緣柵雙極晶體管IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。——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。反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——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。正偏安全工作區(qū)（FBSOA）60絕緣柵雙極晶體管IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起3)IGBT的主要參數(shù)——正常工作溫度下允許的最大功耗。(3)

最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES613)IGBT的主要參數(shù)——正常工作溫度下允許的最大功耗IGBT_5SNS0300U120100主要參數(shù)：VCES1200VIC(DC)300ATc(OP)-40~125oCVCESAT

IC300A,VGE15V:

1.9V25oC,2.1V125oCtdon

IC300AVcc600V25oC150ns125oC180nstfon80nstdoff

25oC770ns125oC750nstfon70ns62IGBT_5SNS0300U120100主要參數(shù)：15IGBT_5SNA600G650100主要參數(shù)：VCES6500VIC(DC)600AVCESAT

IC600A,VGE15V:

4.2V

25oC,5.5V125oCtdon

IC600AVcc3000V640ns/

570nstfon270nstdoff

1540ns/

1860nstfon620ns/960ns耐壓增加，管開通損耗顯著增加；開關(guān)時(shí)間也明顯增加63IGBT_5SNA600G650100主要參數(shù)：16功率MOSFET與IGBT的比較導(dǎo)通壓降功率MOSFET溝道電阻隨擊穿電壓增加迅速增加，高壓管導(dǎo)通壓降顯著大于低壓管。IGBT中通態(tài)壓降FET段僅占總壓降很小份額，晶體管段電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使通態(tài)壓降隨耐壓增漲較小。64功率MOSFET與IGBT的比較導(dǎo)通壓降17溫度特性

功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)溫升溝道電阻速增，200度時(shí)可達(dá)室溫時(shí)的3倍?？紤]溫升必須降電流定額使用。IGBT可在近200度下連續(xù)運(yùn)行。導(dǎo)通時(shí)，MOS段的N通道電阻具有正溫度系數(shù)，Q2的射基結(jié)具有負(fù)溫度系數(shù)，總通態(tài)壓降受溫度影響非常小。開關(guān)特性開通特性二者等同。關(guān)斷時(shí)IGBT漂移區(qū)電荷僅靠復(fù)合移除緩慢，電流拖尾過程長，而MOSFET為多子載流，無存儲(chǔ)電荷移除反向恢復(fù)過程，關(guān)斷時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于IGBT。IGBT關(guān)斷拖尾時(shí)間隨溫升增漲。IGBT適于高壓低開關(guān)頻率，功率MOS管則相反65溫度特性

功率MOSFET18IGBT功耗的計(jì)算66IGBT功耗的計(jì)算19IGBT的技術(shù)發(fā)展第6代IGBT模塊通過改進(jìn)CSTBTTM的元胞結(jié)構(gòu),在確保安全工作區(qū)的前提下降低了通態(tài)電阻。同時(shí),模塊里搭載了新開發(fā)的具有較低的通態(tài)壓降的續(xù)流二極管。通過這些措施,在變頻運(yùn)行時(shí)新產(chǎn)品的功耗比傳統(tǒng)產(chǎn)品降低約20％。

主要解決摯住效應(yīng)改善飽和壓降和開關(guān)特性：N+緩沖層、P+層濃度、厚度最佳化、新壽命控制，飽和壓降、下降時(shí)間均降低了30%以上。微細(xì)化工藝溝槽技術(shù)有選擇的壽命控制，飽和壓降和關(guān)斷時(shí)間下降到1.5V/0.1ms。67IGBT的技術(shù)發(fā)展第6代IGBT模塊通過改進(jìn)CSTBTTM2.5其他新型電力電子器件【簡介】MOS控制晶閘管MCT靜電感應(yīng)晶體管SIT靜電感應(yīng)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682.5其他新型電力電子器件【簡介】MOS控制晶閘管MCT2.5.1

MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復(fù)合692.5.1MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)MCT的結(jié)構(gòu)與特性低導(dǎo)通損耗，高電流容量，驅(qū)動(dòng)簡單，開關(guān)頻率較高。Q1、2組成晶閘管，N型MOS管Q4、P型Q3連Q1、2基極。開：Q4正偏，Q3關(guān)斷；柵極下P反型，Q1射基電流經(jīng)Q4流向陰極，同時(shí)Q1導(dǎo)通集電極電流形成Q2基極電流，Q2導(dǎo)通，電流再生形成直到管開通完成。開通無需門極提供觸發(fā)電流。觸發(fā)電流由陽極提供。關(guān)：Q4負(fù)偏關(guān)斷，Q3導(dǎo)通短路Q2基射極使Q2增益大大下降，正反饋效應(yīng)導(dǎo)致Q2、Q1關(guān)斷。70MCT的結(jié)構(gòu)與特性低導(dǎo)通損耗，高電流容量，驅(qū)動(dòng)簡單，開關(guān)頻率MCT的溫度特性溫度升高，導(dǎo)通壓降減小。局部過熱可能導(dǎo)致局部過流損壞。關(guān)斷時(shí)間隨溫度升高增加。最大可控電流密度隨溫度升高迅速下降。此特性嚴(yán)重限制了MCT在高溫下的運(yùn)行。器件水平：300A/3kV。國內(nèi)：西安電力電子研究所9A/300V樣品?，F(xiàn)狀：經(jīng)歷17年研制、基本終止。71MCT的溫度特性溫度升高，導(dǎo)通壓降減小。局部過熱可能導(dǎo)致局部2.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT【略】多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點(diǎn)：柵極不加信號時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，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(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。SIT（StaticInductionTransistor）——結(jié)型場效應(yīng)晶體管722.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT【略】SIT（Stati2.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH【略】SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）——場控晶閘管（FieldControlledThyristor—FCT）732.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH【略】SITH是兩種載2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍?？墒∪TO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。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.IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）——GCT（Gate-CommutatedThyristor）742.5.4集成門極換流晶閘管IGCT20世紀(jì)90年代后期門極換流（GCT）的工作原理通態(tài)等同于SCR，具有大電流容量和低導(dǎo)通電阻。關(guān)斷態(tài)門陰結(jié)反偏有效地退出工作。當(dāng)門極電壓正偏時(shí)，管子導(dǎo)通，象晶閘管一樣產(chǎn)生正反饋，電流很大，通態(tài)壓降很低;反偏時(shí)，阻止陰極注入電流，全部陽極電流瞬間強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為門極電流，象一個(gè)沒有了陰極正反饋?zhàn)饔玫腘PN晶體管，陽性電流從門極均勻流出，由通態(tài)變?yōu)閿鄳B(tài)。

75門極換流（GCT）的工作原理通態(tài)等同于SCR，具有大電流容量IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理集成門極換流晶閘管(IntegratedGateCommutatedThyristor1997)多層板驅(qū)動(dòng)集成有效減小門極驅(qū)動(dòng)引線電感、器件開關(guān)時(shí)間一致性高。僅需20V電源驅(qū)動(dòng)。76IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理集成門極換流晶閘管(IntegratIGCT主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)透明陽極:發(fā)射極薄PN結(jié)構(gòu)造。其損耗和開通閾值電壓都很低。關(guān)斷時(shí)基區(qū)電子可透過透明陽極達(dá)到金屬接觸面復(fù)合，縮短關(guān)斷時(shí)間。透明陽極使門極驅(qū)動(dòng)所需電流小，開通加快。77IGCT主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)透明陽極:發(fā)射極薄PN結(jié)構(gòu)造。30IGCT的門極結(jié)構(gòu)緩沖層逆導(dǎo):集成反并聯(lián)D，反向恢復(fù)特性好。開通瞬間無抑制di/dt能力，需外加抑制電路。78IGCT的門極結(jié)構(gòu)緩沖層31IGCT的結(jié)構(gòu)在N-P+間引入N緩沖層，并降低N-層摻雜濃度，降低通態(tài)和開關(guān)損耗，芯片厚度比同等級GTO減小約40％。開通與GTO相似：GTO與MOSFET同步驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。關(guān)斷：G1<0，門極分流部分主電流，然后MOSFET關(guān)斷，使主電流全部通過門極流出，此換流過程時(shí)間約為1微秒。此時(shí)IGCT的門陰間PN結(jié)首先反偏，Q1變?yōu)闊o接觸基區(qū)的晶體管而關(guān)斷，沒有載流子收縮效應(yīng)，不會(huì)因結(jié)充電誘發(fā)電流再生，無須附加電壓上升吸收電路，與GTO完全不同。

79IGCT的結(jié)構(gòu)在N-P+間引入N緩沖層，并降低N-層摻雜濃度IGCT與GTO關(guān)斷比較80IGCT與GTO關(guān)斷比較33IGCT的開關(guān)電路[略]緩沖電路抑制陽極電流上升率和關(guān)斷電壓超調(diào)。81IGCT的開關(guān)電路[略]緩沖電路抑制陽極電流上升率和關(guān)斷電壓開通過程[略]門極正偏，UAK電壓下降(B)，緩沖電路使陽極電流在電壓下降期間緩升。零壓期(C):陽極電流線性上升、續(xù)流管電流線性下降。續(xù)流管反向恢復(fù)期(D)反向電流衰減期(E)91mm4.5kV/3.5kA的IGCT典型ton=10ms。82開通過程[略]門極正偏，UAK電壓下降(B)，緩沖電路使陽極關(guān)斷過程[略]門陰換流(a):門極驅(qū)動(dòng)低電感、門極電流迅速負(fù)增漲，陰極電流迅速下降。陽極電流基本不變，門極電流＝陽陰極電流差。陽極電壓上升(b):陰極電流＝0后，Q1退飽和進(jìn)入放大區(qū)。續(xù)流管換流(c):陽極電壓超電源，續(xù)流管導(dǎo)通續(xù)流，陽極電流下降。4.5kV/3.5kA器件toff典型值＝10ms。同等GTO為80ms。83關(guān)斷過程[略]門陰換流(a):門極驅(qū)動(dòng)低電感、門極電流迅速IGCT與GTO的導(dǎo)通壓降比較84IGCT與GTO的導(dǎo)通壓降比較37IGCT－5SHY35L4510主要技術(shù)參數(shù)最大可重復(fù)峰值正向阻斷電壓：VDRM4500V最大DC正向阻斷電壓：VDCLink2800V最大反向電壓：IGCT阻斷時(shí)17V，導(dǎo)通時(shí)10V。最大平均電流：1700A最大有效值電流：2700A最大非重復(fù)脈沖電流(10ms)：32000A最大通態(tài)壓降：2.7V(125oC,4000A)最大通態(tài)電阻：0.325mW最大電流上升率：0～500Hz1000A/ms最大可斷電流:4000A85IGCT－5SHY35L4510主要技術(shù)參數(shù)最大可重復(fù)峰IGCT實(shí)例參數(shù)2·最大門極功率：100W最小門極電壓：28V最大門極電壓：40V

光控I/O最小開通時(shí)間：10ms光控I/O最小關(guān)斷時(shí)間：10ms光控I/O最小開關(guān)周期時(shí)間：60ms最優(yōu)工作頻率