1、2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的特点单极型，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。但高压器件导通电阻较大，通流能力受限。由于MOS器件
2、发展遇到了提高电压与降低导通电阻、降低损耗的尖锐矛盾，RCA、GE、MOTLOLA公司在80年代初期几乎同时研制出了IGBT。1 IGBT绝缘栅极双极晶体管绝缘栅极双极晶体管 开关频率高于BJT，低于MOSFET。导通电阻低于MOSFET，与BJT相当。耐压高、电流容量大。(1.7kV/4.8kA，6.5kV/600A)IGBT由若干独立的单元并联组成。2IGBT的结构的结构三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图为N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。简化等效电路表明，IGBT是GTR与N沟道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
3、内的调制电阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极 栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)3IGBT的结构的结构IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，IGBT导通时P+往N-漂移区发射电子，对漂移区电阻率进行调制，使IGBT 具备较大的通流能力，解决电力MOSFTE中追求高耐压与低通态电阻之间的矛盾。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)4IGBT的结构的结构G GE ECP P+N N-N N+
4、P P集电极栅极N沟道IGBTN沟道IGBTQ2Q1RBRd发射极寄生三极管G GIGBT结构示意图Q3RdQ1N-PN+Q Q2 2RBE EC CP P+N N-P PN N+P PG GC CE EG GC CE E图形符号结构与电力结构与电力MOSFET区别区别于于N层被层被P层替换形成层替换形成IGBT的集电极的集电极IGBTMOSFETPNP晶体管Q2组合形成。寄生有基射短路的N-PN+晶体管Q1。通常Q1始终截止。Q1导通将产生挚住效应导致关断困难。过高的dUce/dt可使Q1导通。现代产品已可有效防止其导通。Q2的出现使工作时产生电导调制效应，克服了高耐压与导通电阻的矛盾。5I
5、GBT实用等效电路实用等效电路 Q1截止时IGBT的实用等效电路 Uce0,N-P反偏，正向阻断。正反阻断能力近似相等。G GIGBT实用等效电路RdE EC CP P+N N-P PN N+VFViciDiTudsuceuge6IGBT的工作原理的工作原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导导通通：uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断关断：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，
6、IGBT关断。GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)7a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的静态特性的静态特性IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性 b)输出特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。当UCE0时，IGBT处于方向阻断工作状态，在系统运行中，IGBT处于开关状态，因而在正向阻断区和饱和区之间来回转换。8IGBT的动态特性：开通特性的动态特性：开通特性IGBT的开通过程：与MOSFET的相似。开
7、通延迟时间开通延迟时间td(on)：10%uGE到到10%iC幅值时间。幅值时间。电流上升时间电流上升时间tr：10%iC幅值上升幅值上升到到90%iC幅值时间。幅值时间。集射电压下降时间集射电压下降时间tfv：uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程，该过程uGE保持不变，即处于米勒平台；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程，由于uCE下降时MOSFET栅漏电容增加，而且PNP管由放大到转入饱和需要时间，所以tfv2 过程变缓。只有tfv2结束时，IGBT才进入饱和状态9IGBT的动态特性：关断特性的动态特性：关断特
8、性IGBT的关断过程：与MOSFET的相似。关断延迟时间关断延迟时间td(off)：90%uGE到到10%uCE幅值时间。幅值时间。集射电压上升时间集射电压上升时间trv：uGE电压不电压不变。变。集电极电流下降时间集电极电流下降时间tfi：90%iCM幅幅值下降到值下降到10%iCM幅值时间。幅值时间。下降过程分为tfi1和tfi2两段。tfv1IGBT中MOSFET关断过程，电流下降速度较快。tf v 2PNP晶体管关断过程，MOSFET已经关断，IGBT无反压，N基区少子复合缓慢，造成集电极电流下降较慢。该时间段电流成为：拖尾电流。（可以如GTR降低饱和 程度来提高速度，但损耗增加）10
9、IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点开关速度高，开关损耗小，但是由于引入了少子IGBT的关断速度比MOSFET要低。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。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。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。11擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：在IGBT内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+NP-晶体管组成的寄生晶闸管。其中 NPN管基射极间存在体短路电阻，体区电流会在其上产生压降，相当于对J3结加正偏，一旦J3开通，栅极会失去对集电极电
10、流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功耗过高损坏。该电流失控现象，像晶闸管被触发后，撤销触发信号晶闸管仍然进入正反馈而维持导通的机理一样，被称为擎住效应或自锁效应。引发原因：集电极电流过大(静态擎住效应)，duce/dt过大（动态擎住效应），温升过高。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。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。12绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。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。反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBS
11、OA）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。正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）133)IGBT的主要参数的主要参数正常工作温度下允许的最大功耗。(3)最大集电极功耗最大集电极功耗PCM包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。(2)最大集电极电流最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)最大集射极间电压最大集射极间电压UCES14IGBT_5SNS 0300U120100主要参数：VCES 1200V IC(DC)300A Tc(OP)-40125oC VCESAT IC300A,VGE15V:1.9V 25oC,2.1V125oC tdon IC30
12、0A Vcc600V 25oC 150ns 125oC 180ns tfon 80nstdoff 25oC 770ns 125oC 750ns tfon 70ns15IGBT_5SNA 600G650100主要参数：VCES 6500V IC(DC)600AVCESAT IC600A,VGE15V:4.2V 25oC,5.5V125oC tdon IC600A Vcc3000V 640ns /570ns tfon 270nstdoff 1540ns /1860ns tfon 620ns /960nsv耐压增加，管开通损耗显著增加；开关时间也明显增加16功率MOSFET与IGBT的比较导通压降v
13、 功率MOSFET沟道电阻随击穿电压增加迅速增加，高压管导通压降显著大于低压管。v IGBT中通态压降FET段仅占总压降很小份额，晶体管段电导调制效应使通态压降随耐压增涨较小。10001001010.10123300V600V1200VMOSFET正向压降（V）正向电流密度（A/sp.cm)300VIGBT600V1200V17温度特性 功率MOSFET 导通时温升沟道电阻速增，200度时可达室温时的3倍。考虑温升必须降电流定额使用。v IGBT 可在近200度下连续运行。导通时，MOS段的N通道电阻具有正温度系数，Q2的射基结具有负温度系数，总通态压降受温度影响非常小。开关特性v 开通特性二
14、者等同。v 关断时IGBT漂移区电荷仅靠复合移除缓慢，电流拖尾过程长，而MOSFET为多子载流，无存储电荷移除反向恢复过程，关断时间远远短于IGBT。IGBT关断拖尾时间随温升增涨。IGBT适于高压低开关频率，功率MOS管则相反3.2)300)(25()(TCrTrODSonDSon18IGBT功耗的计算功耗的计算ugVcc+-onofftdon12Vce00ttttrtdoff345678Vceonicce012.525ug0VccI0nstnstAIVVccrdon50,50,4,3500nst27.012VVceon5.2nstnstdoff500,400561,0,0.5,25gUTT
15、snstt5.47106768sttttTtdoffrdonon8.12)5027.050(40012500)(2/12WTtIVPonceonon12.5/0WtVtVVccItIVccTPceonceononsw4.1)2(2123230120WtIVcctVtVVccITPceonceonoffsw4.15)2)2(168056560WPPoffswonsw8.16开关损耗W9.21P 总损耗19IGBT的技术发展 第6代IGBT模块通过改进CSTBT TM 的元胞结构,在确保安全工作区的前提下降低了通态电阻。同时,模块里搭载了新开发的具有较低的通态压降的续流二极管。通过这些措施,在变频
16、运行时新产品的功耗比传统产品 降低约20。主要解决挚住效应改善饱和压降和开关特性：N+缓冲层、P+层浓度、厚度最佳化、新寿命控制，饱和压降、下降时间均降低了30%以上。微细化工艺沟槽技术有选择的寿命控制，饱和压降和关断时间下降到1.5V/0.1ms。202.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件【简介简介】212.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，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
17、一个控制该晶闸管关断的MOSFET。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。MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合22MCT的结构与特性的结构与特性 低导通损耗，高电流容量，驱动简单，开关频率较高。Q1、2组成晶闸管，N型MOS管Q4、P型Q3连Q1、2基极。N+PN-P+KGASiO2P+NPN-P+Q1N-PN+KGAQ2Q3Q4pnP+P+含P沟道MOSFET(关断用)N沟道MOSFET(开通用)的MCT结构GAKQ2Q1 开：Q4正偏，Q3关断；栅极下P反型，Q1射基电流经Q4流向阴极，同时Q1导通
18、集电极电流形成Q2基极电流，Q2导通，电流再生形成直到管开通完成。开通无需门极提供触发电流。触发电流由阳极提供。关：Q4负偏关断，Q3导通短路Q2基射极使Q2增益大大下降，正反馈效应导致Q2、Q1关断。23MCT的温度特性的温度特性 温度升高，导通压降减小。局部过热可能导致局部过流损坏。关断时间随温度升高增加。最大可控电流密度随温度升高迅速下降。此特性严重限制了MCT在高温下的运行。器件水平：300A/3kV。国内：西安电力电子研究所9A/300V样品。现状：经历17年研制、基本终止。242.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT【略略】多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当
19、，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。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。缺点缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通正常导通型型器件，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。SIT（Static Induction Transistor）结型场效应晶体管252.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH【略略】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。SITH一般也
20、是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH（Static Induction Thyristor）场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）262.5.4 集成门极换流晶闸集成门极换流晶闸管管IGCTIGCT20世纪90年代后期出现，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复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。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.IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）GCT（Gate
21、-Commutated Thyristor）27门极换流（门极换流（GCT）的工作原理的工作原理 通态等同于SCR，具有大电流容量和低导通电阻。关断态门阴结反偏有效地退出工作。当门极电压正偏时，管子导通，象晶闸管一样产生正反馈，电流很大，通态压降很低;反偏时，阻止阴极注入电流，全部阳极电流瞬间强制转化为门极电流，象一个没有了阴极正反馈作用的NPN晶体管，阳性电流从门极均匀流出，由通态变为断态。PNPNAKGVg+-IgIgIaIk=IaIgk=Ig+IaGCT的导通状态PNPNAKGVg+-GCT关断基极开路PNP低增益晶体管PNPNAKGVg+-IgIgIaIk=IaIgk=0GCT的关断-
22、=Ia28IGCT的结构与工作原理的结构与工作原理 集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor 1997)多层板驱动集成有效减小门极驱动引线电感、器件开关时间一致性高。仅需20V电源驱动。集成门极单元集成门极单元X1电源VGIN内部电源导通控制关断控制逻辑RxTxLED显示指令(光)状态(光)阳极门极阴极CSSF5GCT29IGCT主要设计特点主要设计特点 透明阳极:发射极薄PN结构造。其损耗和开通阈值电压都很低。关断时基区电子可透过透明阳极达到金属接触面复合，缩短关断时间。透明阳极使门极驱动所需电流小，开通加快。30IGCT的门极结构 缓冲层
23、 逆导:集成反并联D，反向恢复特性好。开通瞬间无抑制di/dt能力，需外加抑制电路。31IGCT的结构 在N-P+间引入N缓冲层，并降低N-层掺杂浓度，降低通态和开关损耗，芯片厚度比同等级GTO减小约40。N+PPN-N-N缓冲层N+典型IGCT结构二极管GCTKG1G2AGTOZKAG1G2DQ1Q2P+N透明阳极开通与GTO相似：GTO与MOSFET同步驱动导通。关断：G10，门极分流部分主电流，然后MOSFET关断，使主电流全部通过门极流出，此换流过程时间约为1微秒。此时IGCT的门阴间PN 结首先反偏，Q1变为无接触基区的晶体管而关断，没有载流子收缩效应，不会因结充电诱发电流再生，无须
24、附加电压上升吸收电路，与GTO完全不同。32IGCT与与GTO关断比较关断比较33IGCT的开关电路的开关电路略略 缓冲电路抑制阳极电流上升率和关断电压超调。DVC+-udLs布线电感RkVDkLkCsL负载uoi iai ikigia阻尼开通缓冲Doi iD0D0集成驱动IGCT电路结构ugk关断缓冲i i034开通过程略 门极正偏，UAK电压下降(B)，缓冲电路使阳极电流在电压下降期间缓升。零压期(C):阳极电流线性上升、续流管电流线性下降。续流管反向恢复期(D)反向电流衰减期(E)91mm4.5kV/3.5kA的IGCT典型ton=10ms。V Vakak0ttttiD00i iai i
25、k,U0fvonBCD E35关断过程关断过程略略 门阴换流(a):门极驱动低电感、门极电流迅速负增涨，阴极电流迅速下降。阳极电流基本不变，门极电流阳阴极电流差。阳极电压上升(b):阴极电流0后，Q1退饱和进入放大区。续流管换流(c):阳极电压超电源，续流管导通续流，阳极电流下降。4.5kV/3.5kA器件toff典型值10ms。同等GTO为80 ms。U Uakak0tttti iD00i iai ik,U0fioffabci iki ia36IGCT与GTO的导通压降比较37IGCT5SHY 35L4510 主要技术参数主要技术参数 最大可重复峰值正向阻断电压：VDRM 4500V 最大D
26、C正向阻断电压：VDCLink 2800V 最大反向电压：IGCT阻断时 17V，导通时10V。最大平均电流：1700A 最大有效值电流：2700A 最大非重复脉冲电流(10ms)：32000A最大通态压降：2.7V(125oC,4000A)最大通态电阻：0.325mW 最大电流上升率：0500Hz 1000A/ms 最大可断电流:4000A38IGCT实例参数实例参数2 最大门极功率：100W 最小门极电压：28V 最大门极电压：40V 光控I/O最小开通时间：10ms 光控I/O最小关断时间：10ms 光控I/O最小开关周期时间：60ms 最优工作频率范围：1kHz 当前水平：4.5kV5
27、.5kV/3120A 能在6000A下不用缓冲关断、集成门极引线电感极低、关断门极电流上升率可达6000A/微秒。开通电流上升率可达1000A/微秒。392.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。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，称为功率集成电路功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。基本概念基本概念402.5
28、.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路高压集成电路高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）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（Intelligent IGBT）。实际应用电路实际应用电路412.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路功率集成电路的主要技术难点：高低压电
29、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。智能功率模块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。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。发展现状发展现状42芯片级功率系统集成的发展芯片级功率系统集成的发展 集成化电力电子系统标准芯片（百瓦以下）Power System on Chip,PSOC 将微处理器,控制、信号处理、接口、小功率变换和保护电路集成在同一硅片上。标准模块（千瓦级）Power System in Package,PSIP 若干块功率器件、控制、接口、保护的裸芯片及表贴元件用厚膜技术集成在同一导
30、热基板上，封装成模块。功率无源元件集成 国内02年：DC/DC模块系统集成（浙大、西交）43本节要点 电力MOSFET和IGBT的开关特性、典型关断时间 各自的优缺点，主要应用功率、开关频率范围 开关损耗与通态损耗的计算及其与开关频率的关系44思考题、习题1.IGBT工作波形近似如图，开关频率为40kHz，导通压降为1.7V,求IGBT的平均功率损耗。2、International Rectifier MOSFET IRF1010 开关电路如图，VDD=21V,Io=25A，通态电阻为0.014W,嵌位二极管反向恢复时间可忽略。求功率管在以500kHz,50导通控制时的总损耗。其中ugVDD+
31、-onofftdon1 2V00ttttrtdoff3456 7ViD012ug0VI0DDDSDSONDSGi0VDVTRs01122345566716,10.4,120;48,80,12.2tns tns tnstns tns tns45思考题3.作为开关使用的电力MOSFET主要的优缺点是什么？4.IGBT吸收了晶体管和MOSFET的优点，它能够像电力MOSFET一样驱动，像BJT一样通过大电流，承受高阻断电压，是否它可以全面取代晶体管和MOSFET？5.为什么IGBT在关断时有电压上升率限制？6.为什么IGBT关断时间要长于MOSFET？7.为什么在讨论开通损耗时数据手册中对IGBT给
32、出的是导通压降而场效应管给出的是导通电阻？46参考文献 S.Bernet,“Recent developments of high power converters for industry and traction applications,”IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.15,No.6,November 2000,pp.1102-1117.P.K.Steimer,“IGCT-a new emerging for high power,low cost inverters,”IEEE Industry Applications Magazine,July/August 1999,pp12-18 L.Lorenz,G.Deboy,M.MBz,J.-P.Stengl,A.Bachofner,“Drastic Reduction of On-Resistance withCoolMOS,”pp.250-258,PCIM Europe,5(1998)47
