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(gè)理想的功率器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性:在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，能承受較高的電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，能承受大電流并具有很低的壓降；在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，開/關(guān)速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同時(shí)還應(yīng)具有全控功能。GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，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；但通態(tài)壓降低,可制成較高電壓和較大電流的開關(guān)器件。MOSFET的優(yōu)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(jiǎn)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(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成一些復(fù)合器件—Bi-MOS器件（如IGBT)絕緣柵雙極晶體管IGBT（Insulated-GateBipolarTransistor）

1983年，美國(guó)無線電公司RCA和美國(guó)通用電氣公司GE幾乎同時(shí)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(jìn)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(jié)合GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有比它們更好的特性：輸入控制部分為MOSFET，輸出級(jí)為雙極結(jié)型晶體管。高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動(dòng)功率小。開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)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(jī)控制、開關(guān)電源、逆變器、機(jī)器人、感應(yīng)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(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng),成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)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(jià)格方面期待進(jìn)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(qū)動(dòng)、保護(hù)功能的智能IGBT模塊IPM。IGBT的結(jié)構(gòu)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(gè)大面積的P+N結(jié)J1，，IGBT導(dǎo)通時(shí)，由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力；簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與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。

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，屬于場(chǎng)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。

導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。（IGBT的功率部分是一個(gè)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(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)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。此外，當(dāng)Uce<0時(shí)，IGBT為反向阻斷狀態(tài)。IGBT的基本特性IGBT的靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性和輸出特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，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(shí)，IC與UCE間的關(guān)系分為三個(gè)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(duì)應(yīng)uCE<0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)，不具有逆導(dǎo)能力。IGBT的動(dòng)態(tài)特性IGBT的開通過程

與MOSFET的相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行開通延遲時(shí)間td(on)

——從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10%ICM

所需時(shí)間

電流上升時(shí)間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間

開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和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；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程IGBT的關(guān)斷過程（開關(guān)過程圖）關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到iC下降至90%ICM

電流下降時(shí)間——iC從90%ICM下降至10%ICM

關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)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(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù)IGBT的主要參數(shù)和特點(diǎn)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(diǎn)(1)

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

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；(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(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。(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(dǎo)器件。目前還有多管模塊和IPM（IGBT+控制和保護(hù)電路）。IGBT的擎住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)）擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：在IGBT內(nèi)部由于內(nèi)部寄生了一個(gè)由NPN晶體管和作為主開關(guān)器件的PNP晶體管組成的寄生晶閘管。在額定集電極電流時(shí)，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(dǎo)通，那么就會(huì)由于寄生晶閘管的強(qiáng)烈正反饋?zhàn)饔茫沟脰艠O失去對(duì)集電極的控制作用，導(dǎo)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(yīng)），dUCE/dt過大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)）溫度過高集電極電源電壓過高擎住效應(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。為避免擎住效應(yīng),設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)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(zhǎng)IGBT的關(guān)斷時(shí)間.器件制造廠家也在IGBT的工藝與結(jié)構(gòu)上想方設(shè)法盡可能避免產(chǎn)生擎住效應(yīng).IGBT安全工作區(qū)開通和關(guān)斷時(shí),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(dǎo)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(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MCT

MOSControlledThyristorMOSFET與晶閘管的復(fù)合MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開關(guān)過程晶閘管的高電壓大電流、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MOSFETMCT的一個(gè)重要特性是，即使關(guān)斷失效，器件也不會(huì)損壞。當(dāng)工作電壓超出安全工作區(qū)范圍時(shí)，MCT可能失效。當(dāng)峰值可控電流超過安全工作區(qū)時(shí)，MCT不會(huì)自然損壞，而只是不能用門極關(guān)斷而已。這一性能特點(diǎn)說明MCT可用簡(jiǎn)單的熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)。MCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀(jì)80年代以來一度成為研究的熱點(diǎn)。但經(jīng)過十多年的努力，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。目前，IGBT更被看好。SIT

（StaticInductionTransistor）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱JFET小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件；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(chǎng)合；最重要的特征是在門源短路，即門源電壓為零時(shí)，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，為其正常的導(dǎo)通關(guān)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(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。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；SITH

（StaticInductionThyristor）1972年，在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)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(chǎng)控制陽極電流，因此SITH又被稱為場(chǎng)控晶閘管（FieldControlledThyristor——FCT）；或雙極靜電感應(yīng)晶閘管BSITH,是大功率場(chǎng)控器件。

比SIT多了一個(gè)具有少子注入功能的PN結(jié)，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；由于SITH的工作頻率可達(dá)100KHZ以上，所以在高頻感應(yīng)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(dǎo)通型（柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通），但也有正常關(guān)斷型。此外，其制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。IGCT

（IntegratedGate-CommutatedThyristor）也稱GCT（Gate-CommutatedThyristor），20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，是一種在大功率開關(guān)器件GTO基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的新型大功率電力電子器件結(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倍可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)動(dòng)功率仍很大；IGCT的關(guān)斷時(shí)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(dǎo)通，像IGBT一樣關(guān)斷，并且具有最低的功率損耗IGCT在使用時(shí)只需將它連接到一個(gè)20V的電源和一根光纖上就可以控制它的開通和關(guān)斷由于IGCT設(shè)計(jì)理想，使得IGCT的開通損耗可以忽略不計(jì)，再加上它的低導(dǎo)通損耗，使得它可以在以往大功率半導(dǎo)體器件所無法滿足的高頻率下運(yùn)行目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。功率集成電路

（PowerIntegratedCircuit——PIC）20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢(shì)，將至少一個(gè)半導(dǎo)體功率器件和一個(gè)獨(dú)立功能電路的單片集成電路。是第四大類電力半導(dǎo)體器件，（其余為單極型、雙極型和復(fù)合型器件）多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、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(jī)驅(qū)動(dòng)、平板顯示驅(qū)動(dòng)及長(zhǎng)途電話通信電路等高電壓、小電流場(chǎng)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(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車功率開關(guān)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(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）IPM除了集成功率器件和驅(qū)動(dòng)電路以外，還集成了過壓、過流、過熱等故障監(jiān)測(cè)電路，并可將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳送至CPU，以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。當(dāng)前，IPM中的功率器件一般由IGBT充當(dāng)。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(jī)控制、家用電器等。富士IPM模塊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(chǎng)合;IPM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。目前最新的IPM產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于高速子彈頭列車牽引的大功率場(chǎng)合；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。電力電子器件分類“樹”常用電力半導(dǎo)體開關(guān)器件性能對(duì)比可控性驅(qū)