1、2.4.4 絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結(jié)合而成的復合器件Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）GTR和MOSFET復合，結(jié)合二者的優(yōu)點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。 MOSFET的特點單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。但高壓器件導通電阻較大，通流能力受限。由于MOS器件發(fā)展遇到了提

2、高電壓與降低導通電阻、降低損耗的尖銳矛盾，RCA、GE、MOTLOLA公司在80年代初期幾乎同時研制出了IGBT。1 IGBT絕緣柵極雙極晶體管開關(guān)頻率高于BJT，低于MOSFET。導通電阻低于MOSFET，與BJT相當。耐壓高、電流容量大。(1.7kV/4.8kA，6.5kV/600A)IGBT由若干獨立的單元并聯(lián)組成。2IGBT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組成的達林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)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。3IGBT的結(jié)構(gòu)IGBT

3、比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，IGBT導通時P+ 往N-漂移區(qū)發(fā)射電子，對漂移區(qū)電阻率進行調(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)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IGBTMOSFETPNP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導通將產(chǎn)生摯住效應導致關(guān)斷困難。過高的dUce/dt可使Q1導通?，F(xiàn)代產(chǎn)品已可有效防止其

4、導通。Q2的出現(xiàn)使工作時產(chǎn)生電導調(diào)制效應，克服了高耐壓與導通電阻的矛盾。5IGBT實用等效電路Q1截止時IGBT的實用等效電路Uce0,N-P反偏，正向阻斷。正反阻斷能力近似相等。6IGBT的工作原理 驅(qū)動原理與電力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。通態(tài)壓降：電導調(diào)制效應使電阻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，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)7a)b)O有源區(qū)

5、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)輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。當UCE0時，IGBT處于方向阻斷工作狀態(tài)，在系統(tǒng)運行中，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。8IGBT的動態(tài)特性：開通特性IGBT的開通過程：與MOSFET的相似。開通延遲時間td(on)：10% uGE到10% iC幅值時間。電流上升時間tr：10% iC幅值上升到90% iC幅值時間。集射電壓

6、下降時間tfv ：uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程，該過程uGE保持不變，即處于米勒平臺； tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程，由于uCE下降時MOSFET柵漏電容增加，而且PNP管由放大到轉(zhuǎn)入飽和需要時間，所以tfv2 過程變緩。只有tfv2結(jié)束時，IGBT才進入飽和狀態(tài)9IGBT的動態(tài)特性：關(guān)斷特性IGBT的關(guān)斷過程：與MOSFET的相似。關(guān)斷延遲時間td(off)：90% uGE到10% uCE幅值時間。集射電壓上升時間trv ： uGE電壓不變。集電極電流下降時間tfi：90% iCM幅值下降到10

7、% iCM幅值時間。下降過程分為tfi1和tfi2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET關(guān)斷過程，電流下降速度較快。 tfv2PNP晶體管關(guān)斷過程， MOSFET已經(jīng)關(guān)斷，IGBT無反壓，N基區(qū)少子復合緩慢，造成集電極電流下降較慢。該時間段電流成為：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的特性和參數(shù)特點開關(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，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

8、能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點 。 11擎住效應或自鎖效應： 在IGBT內(nèi)部寄生著一個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)電流會在其上產(chǎn)生壓降，相當于對J3結(jié)加正偏，一旦J3開通，柵極會失去對集電極電流的控制作用，導致集電極電流增大，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)信號晶閘管仍然進入正反饋而維持導通的機理一樣，被稱為擎住效應或自鎖效應。 引發(fā)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），溫升過高。動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。

9、 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。12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）133) 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UCES14IGBT_5

10、SNS 0300U120100主要參數(shù)：VCES 1200VIC(DC) 300ATc(OP) -40125oCVCESAT IC300A ,VGE15V: 1.9V 25oC,2.1V125oCtdon IC300A Vcc600V 25oC 150ns 125oC 180nstfon 80nstdoff 25oC 770ns 125oC 750nstfon 70ns15IGBT_5SNA 600G650100主要參數(shù)：VCES 6500VIC(DC) 600AVCESAT IC600A ,VGE15V: 4.2V 25oC, 5.5V125oCtdon IC600A Vcc3000V 64

11、0ns / 570nstfon 270nstdoff 1540ns / 1860nstfon 620ns / 960ns耐壓增加，管開通損耗顯著增加；開關(guān)時間也明顯增加16功率MOSFET與IGBT的比較導通壓降功率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，晶體管段電導調(diào)制效應使通態(tài)壓降隨耐壓增漲較小。17溫度特性功率MOSFET 導通時溫升溝道電阻速增，200度時可達室溫時的3倍。考慮溫升必須降電流定額使用。 IGBT 可在近200度下連續(xù)運行。導通時，MOS段的N通道電阻具有正溫度系數(shù)，Q2的射基結(jié)具有負溫度系數(shù)

12、，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IGBT漂移區(qū)電荷僅靠復合移除緩慢，電流拖尾過程長，而MOSFET為多子載流，無存儲電荷移除反向恢復過程，關(guān)斷時間遠遠短于IGBT。IGBT關(guān)斷拖尾時間隨溫升增漲。IGBT適于高壓低開關(guān)頻率，功率MOS管則相反18IGBT功耗的計算19IGBT的技術(shù)發(fā)展第6代IGBT模塊通過改進CSTBT TM 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,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,在變頻運行時新產(chǎn)品的功耗比傳統(tǒng)產(chǎn)品 降低約20。 主要解決摯住效應改善飽和壓降和開關(guān)特性：N+緩沖層、P+層濃度、厚

13、度最佳化、新壽命控制，飽和壓降、下降時間均降低了30%以上。微細化工藝溝槽技術(shù)有選擇的壽命控制，飽和壓降和關(guān)斷時間下降到1.5V/0.1ms。202.5 其他新型電力電子器件【簡介】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212.5.1 MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點：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(guān)斷的MOSF

14、ET。其關(guān)鍵技術(shù)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。MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復合22MCT的結(jié)構(gòu)與特性低導通損耗，高電流容量，驅(qū)動簡單，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Q1導通集電極電流形成Q2基極電流，Q2導通，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負偏關(guān)斷，Q3導通短路Q2基射極使Q2增益大大下降，正反饋效應導致Q2、Q1關(guān)斷。23MCT的溫

15、度特性溫度升高，導通壓降減小。局部過熱可能導致局部過流損壞。關(guān)斷時間隨溫度升高增加。最大可控電流密度隨溫度升高迅速下降。此特性嚴重限制了MCT在高溫下的運行。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。242.5.2 靜電感應晶體管SIT【略】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。在雷達通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領(lǐng)域獲得應用。缺點：柵極不加信號時導通，加負偏壓時關(guān)斷，稱為正常導通型器件，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

16、電子設(shè)備中得到廣泛應用。SIT（Static Induction Transistor）結(jié)型場效應晶體管252.5.3 靜電感應晶閘管SITH【略】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(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，因而其應用范圍還有待拓展。SITH（Static Induction Thyristor）場控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT）262.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT20世紀90年代后期出現(xiàn)，結(jié)

17、合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，開關(guān)速度快10倍。可省去GTO復雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。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（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）27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通電阻。關(guān)斷態(tài)門陰結(jié)反偏有效地退出工作。當門極電壓正偏時，管子導通，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，阻止陰極注入電流，全部陽極電流瞬間強制轉(zhuǎn)化為門極電流，象一個沒有了陰極正反

18、饋作用的NPN晶體管，陽性電流從門極均勻流出，由通態(tài)變?yōu)閿鄳B(tài)。 28IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理集成門極換流晶閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor 1997)多層板驅(qū)動集成有效減小門極驅(qū)動引線電感、器件開關(guān)時間一致性高。僅需20V電源驅(qū)動。29IGCT主要設(shè)計特點透明陽極: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)斷時基區(qū)電子可透過透明陽極達到金屬接觸面復合，縮短關(guān)斷時間。透明陽極使門極驅(qū)動所需電流小，開通加快。30IGCT的門極結(jié)構(gòu)緩沖層逆導: 集成反并聯(lián)D，反向恢復特性好。 開通瞬間無抑制di/dt能力，需外加抑制電路。31IGCT的結(jié)構(gòu)在N-

19、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)動導通。關(guān)斷：G10，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，此換流過程時間約為1微秒。此時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，不會因結(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)。34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

20、壓期(C): 陽極電流線性上升、續(xù)流管電流線性下降。續(xù)流管反向恢復期(D)反向電流衰減期(E) 91mm4.5kV/3.5kA的IGCT典型ton=10ms。35關(guān)斷過程略門陰換流(a): 門極驅(qū)動低電感、門極電流迅速負增漲，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退飽和進入放大區(qū)。續(xù)流管換流(c): 陽極電壓超電源，續(xù)流管導通續(xù)流，陽極電流下降。4.5kV/3.5kA器件toff典型值10ms。同等GTO為80 ms。36IGCT與GTO的導通壓降比較37IGCT5SHY 35L4510 主要技術(shù)參數(shù)最大可重復峰值正向阻斷電壓：VDR

21、M 4500V最大DC正向阻斷電壓： VDCLink 2800V最大反向電壓：IGCT阻斷時 17V，導通時10V。 最大平均電流： 1700A最大有效值電流： 2700A最大非重復脈沖電流(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： 0500Hz 1000A/ms 最大可斷電流: 4000A38IGCT實例參數(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最小開通時間： 10ms光控I/O最小關(guān)斷時間： 10ms光控I/O最小開關(guān)周期時間：60ms最優(yōu)工作頻率范圍： 1kHz當

22、前水平：4.5kV5.5kV/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6000A/微秒。開通電流上升率可達1000A/微秒。392.5.5 功率模塊與功率集成電路20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，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，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。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，稱為功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）?；靖拍?02.5.5 功率模塊與功率集成電路高壓

23、集成電路（High Voltage ICHVIC）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（Smart Power ICSPIC）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（Intelligent Power ModuleIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。實際應用電路412.5.5 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：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。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個

24、難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。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。發(fā)展現(xiàn)狀42芯片級功率系統(tǒng)集成的發(fā)展集成化電力電子系統(tǒng)標準芯片（百瓦以下）Power System on Chip,PSOC 將微處理器,控制、信號處理、接口、小功率變換和保護電路集成在同一硅片上。標準模塊（千瓦級）Power System in Package, PSIP 若干塊功率器件、控制、接口、保護的裸芯片及表貼元件用厚膜技術(shù)集成在同一導熱基板上，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本節(jié)要點電力MOSFET和IGBT的開關(guān)特性、典型關(guān)斷時間各自的優(yōu)缺點，主要應用功率、開關(guān)頻率范圍開關(guān)損耗與通態(tài)損耗的計算及其與開關(guān)頻率的關(guān)系44思考題、習題IGBT工作波