1、1-12.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-MOS器件 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）GTR和MOSFET復合，結合二者的優點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續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，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。 MOSFET的特點單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。但高壓器件導通電阻較大，通流能力受限。由

2、于MOS器件發展遇到了提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。1-2 IGBT絕緣柵極雙極晶體管絕緣柵極雙極晶體管 開關頻率高于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組成。1-3IGBT的結構的結構 三端器件：柵極G、集電極C和發射極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組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區

3、PNP晶體管。 RN為晶體管基區內的調制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發 射 極 柵 極集 電 極注 入 區緩 沖 區漂 移 區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)1-4IGBT的結構的結構 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區，IGBT導通時P+ 往N-漂移區發射電子，對漂移區電阻率進行調制，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電阻之間的矛盾。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發射極柵極集電極注入區緩沖區漂移區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)1-5IGBT的結構

4、的結構G GE ECP P+ +N N- -N N+ +P P集電極柵極N溝道IGBTN溝道IGBTQ2Q1RBRd發射極寄生三極管G GIGBT結構示意圖Q3RdQ1N-PN+Q Q2 2RBE EC CP P+N N- -P PN N+ +P PG GC CE EG GC CE E圖形符號結構與電力結構與電力MOSFET區別區別于于N層被層被P層替換形成層替換形成IGBT的集電極的集電極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導通將產生摯住效應導致關斷困難。過高的dUce/dt可使Q1導通。現代產品已可有效防止其導通。Q2的

5、出現使工作時產生電導調制效應，克服了高耐壓與導通電阻的矛盾。1-6IGBT實用等效電路實用等效電路 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。G GIGBT實用等效電路RdE EC CP P+N N- -P PN N+ +VFViciDiTudsuceuge1-7IGBT的工作原理的工作原理 驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。 導通導通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。 通態壓降通態壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態壓降減小。關斷關

6、斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)1-8a)b)O有源區正向阻斷區飽和區反向阻斷區ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的靜態特性的靜態特性IGBT的轉移特性和輸出特性a) 轉移特性 b) 輸出特性轉移特性轉移特性IC與UGE間的關系(開啟電開啟電壓壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。 當UCE0時，IGBT處于方向阻斷工作狀態，在系統運行中，IGBT處于開關狀態，因而在正向阻斷區和飽和區之間來回轉換。

7、1-9IGBT的動態特性：開通特性的動態特性：開通特性 IGBT的開通過程：與MOSFET的相似。v 開通延遲時間開通延遲時間td(on)：10% uGE到到10% iC幅值時間。幅值時間。v 電流上升時間電流上升時間tr：10% iC幅值上升幅值上升到到90% iC幅值時間。幅值時間。v 集射電壓下降時間集射電壓下降時間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管由放大到轉入飽

8、和需要時間，所以tfv2 過程變緩。只有tfv2結束時，IGBT才進入飽和狀態1-10IGBT的動態特性：關斷特性的動態特性：關斷特性 IGBT的關斷過程：與MOSFET的相似。v 關斷延遲時間關斷延遲時間td(off)：90% uGE到到10% uCE幅值時間。幅值時間。v 集射電壓上升時間集射電壓上升時間trv ： uGE電壓不電壓不變。變。v 集電極電流下降時間集電極電流下降時間tfi：90% iCM幅幅值下降到值下降到10% iCM幅值時間。幅值時間。下降過程分為tfi1和tfi2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET關斷過程，電流下降速度較快。 tf v 2PNP晶體管關斷過程， M

9、OSFET已經關斷，IGBT無反壓，N基區少子復合緩慢，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）1-11IGBT的特性和參數特點的特性和參數特點v 開關速度高，開關損耗小，但是由于引入了少子IGBT的關斷速度比MOSFET要低。 v 相同電壓和電流定額時，安全工作區比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。v 通態壓降比VDMOSFET低。v 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。v 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 。 1-12擎住效應或自鎖效應擎住效應或自鎖效應： 在IGBT內

10、部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的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，體區電流會在其上產生壓降，相當于對J3結加正偏，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。 該電流失控現象，像晶閘管被觸發后，撤銷觸發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。 引發原因：集電極電流過大(靜態擎住效應)，duce/dt過大（動態擎住效應），溫升過高。動態擎住效應比靜態擎住效應所允許的集電極電流小。 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。1-13絕緣柵雙

11、極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT往往與反并聯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反向偏置安全工作區（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。 正偏安全工作區正偏安全工作區（FBSOA）1-143) IGBT的主要參數的主要參數正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流最大集電極電流由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UC

12、ES1-15IGBT_5SNS 0300U120100主要參數： VCES 1200V IC(DC) 300A Tc(OP) -40125oC VCESAT IC300A ,VGE15V: 1.9V 25oC,2.1V125oC tdon IC300A Vcc600V 25oC 150ns 125oC 180ns tfon 80nstdoff 25oC 770ns 125oC 750ns tfon 70ns1-16IGBT_5SNA 600G650100主要參數： VCES 6500V IC(DC) 600AVCESAT IC600A ,VGE15V: 4.2V 25oC, 5.5V125oC

13、 tdon IC600A Vcc3000V 640ns / 570ns tfon 270nstdoff 1540ns / 1860ns tfon 620ns / 960nsv耐壓增加，管開通損耗顯著增加；開關時間也明顯增加1-17功率MOSFET與IGBT的比較導通壓降v 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。v IGBT中通態壓降FET段僅占總壓降很小份額，晶體管段電導調制效應使通態壓降隨耐壓增漲較小。10001001010.10123300V600V1200VMOSFET正向壓降（V）正向電流密度（A/sp.cm)300VIGBT600V1200V1

14、-18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。v IGBT 可在近200度下連續運行。導通時，MOS段的N通道電阻具有正溫度系數，Q2的射基結具有負溫度系數，總通態壓降受溫度影響非常小。開關特性v 開通特性二者等同。v 關斷時IGBT漂移區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，關斷時間遠遠短于IGBT。IGBT關斷拖尾時間隨溫升增漲。 IGBT適于高壓低開關頻率，功率MOS管則相反3 . 2)300)(25()(TCrTrODSonDSon1-19IGBT功耗的計算功耗的計

15、算ugVcc+-onofftdon12Vce00ttttrtdoff345678Vceonicce012.525ug0VccI0nstnstAIVVccrdon50,50,4,3500nst27. 012VVceon5 . 2nstnstdoff500,400561,0,0.5 ,25gUTTsnstt5 .47106768sttttTtdoffrdonon8 .12)5027. 050(40012500)(2/12WTtIVPonceonon12. 5/0WtVtVVccItIVccTPceonceononsw4 . 1)2(2123230120WtIVcctVtVVccITPceonceo

16、noffsw4 .15)2)2(168056560WPPoffswonsw8 .16開關損耗W9 .21P 總損耗1-20IGBT的技術發展 第6代IGBT模塊通過改進CSTBT TM 的元胞結構,在確保安全工作區的前提下降低了通態電阻。同時,模塊里搭載了新開發的具有較低的通態壓降的續流二極管。通過這些措施,在變頻運行時新產品的功耗比傳統產品 降低約20。 主要解決摯住效應改善飽和壓降和開關特性：N+緩沖層、P+層濃度、厚度最佳化、新壽命控制，飽和壓降、下降時間均降低了30%以上。微細化工藝溝槽技術有選擇的壽命控制，飽和壓降和關斷時間下降到1.5V/0.1ms。1-212.5 其他新型電力電子

17、器件【簡介】其他新型電力電子器件【簡介】1-222.5.1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCT MCT結合了二者的優點： 承受極高di/dt和du/dt，快速的開關過程，開關損耗小。 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MOSFET。 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值，未能投入實際應用。 MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復合1-23MCT的結構與特性的結構與特性 低導通損耗，高

18、電流容量，驅動簡單，開關頻率較高。Q1、2組成晶閘管，N型MOS管Q4、P型Q3連Q1、2基極。N+ +PN-P+KGASiO2P+NPN-P+Q1N-PN+KGAQ2Q3Q4pnP P+ +含P溝道MOSFET(關斷用)N溝道MOSFET(開通用)的MCT結構GAKQ2Q1 開：Q4正偏，Q3關斷；柵極下P反型，Q1射基電流經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電流。觸發電流由陽極提供。關：Q4負偏關斷，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關斷。1-24MCT的溫度特性的溫度特性 溫度升

19、高，導通壓降減小。局部過熱可能導致局部過流損壞。 關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：西安電力電子研究所9A/300V樣品。現狀：經歷17年研制、基本終止。1-252.5.2 靜電感應晶體管靜電感應晶體管SITSIT【略】【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。缺點缺點： 柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通正常導通型型器件，使用不太方便。通態電

20、阻較大，通態損耗也大，因而還未在大多數電力電子設備中得到廣泛應用。SIT（Static Induction Transistor）結型場效應晶體管1-262.5.3 靜電感應晶閘管靜電感應晶閘管SITHSITH【略】【略】 SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，通態壓降低、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。 SITH一般也是正常導通型，但也有正常關斷型。此外，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。SITH（Static Induction Thyristor）場控晶閘管（Field Controlled Thyristo

21、rFCT）1-272.5.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTIGCT 20世紀90年代后期出現，結合了IGBT與GTO的優點，容量與GTO相當，開關速度快10倍。 可省去GTO復雜的緩沖電路，但驅動功率仍很大。 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）1-28門極換流（門極換流（GCT）的工作原理）的工作原理 通態等同于SCR，具有大電流容量和低導通電阻。關斷態門陰結反偏有效地退出工作。 當門極電壓正

22、偏時，管子導通，象晶閘管一樣產生正反饋，電流很大，通態壓降很低;反偏時，阻止陰極注入電流，全部陽極電流瞬間強制轉化為門極電流，象一個沒有了陰極正反饋作用的NPN晶體管，陽性電流從門極均勻流出，由通態變為斷態。 PNPNAKGVg+ +- -IgIgIaIk=IaIgk=Ig+IaGCT的導通狀態PNPNAKGVg+ +- -GCT關斷基極開路PNP低增益晶體管PNPNAKGVg+ +- -IgIgIaIk=IaIgk=0GCT的關斷-=Ia1-29IGCT的結構與工作原理的結構與工作原理 集成門極換流晶閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor 1997)

23、多層板驅動集成有效減小門極驅動引線電感、器件開關時間一致性高。僅需20V電源驅動。集成門極單元集成門極單元X1電源VGIN內部電源導通控制關斷控制邏輯RxTxLED顯示指令(光)狀態(光)陽極門極陰極CSSF5GCT1-30IGCT主要設計特點主要設計特點 透明陽極:發射極薄PN結構造。 其損耗和開通閾值電壓都很低。 關斷時基區電子可透過透明陽極達到金屬接觸面復合，縮短關斷時間。 透明陽極使門極驅動所需電流小，開通加快。1-31IGCT的門極結構 緩沖層 逆導: 集成反并聯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。1-32IGCT的結構 在N-P+間引入N緩沖層，并降

24、低N-層摻雜濃度，降低通態和開關損耗，芯片厚度比同等級GTO減小約40。N+PPN-N-N緩沖層N+典型IGCT結構二極管GCTKG1G2AGTOZKAG1G2DQ1Q2P+N透明陽極開通與GTO相似：GTO與MOSFET同步驅動導通。關斷：G10，門極分流部分主電流，然后MOSFET關斷，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 結首先反偏，Q1變為無接觸基區的晶體管而關斷，沒有載流子收縮效應，不會因結充電誘發電流再生，無須附加電壓上升吸收電路，與GTO完全不同。 1-33IGCT與與GTO關斷比較關斷比較1-34IGCT的開關電路的開關電路略略 緩沖電路

25、抑制陽極電流上升率和關斷電壓超調。DVC+-udLs布線電感RkVDkLkCsL負載uoi iai ikigia阻尼開通緩沖Doi iD0D0集成驅動IGCT電路結構ugk關斷緩沖i i01-35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、續流管電流線性下降。 續流管反向恢復期(D) 反向電流衰減期(E) 91mm4.5kV/3.5kA的IGCT典型ton=10ms。V Vakak0ttttiD00i iai ik,U0fvonBCD E1-36關斷過程關斷過程略略 門陰換流(a): 門極驅動低電感、門極電流迅速負增漲，

26、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。 續流管換流(c): 陽極電壓超電源，續流管導通續流，陽極電流下降。 4.5kV/3.5kA器件toff典型值10ms。同等GTO為80 ms。U Uakak0tttti iD00i iai ik,U0fioffabci iki ia1-37IGCT與GTO的導通壓降比較1-38IGCT5SHY 35L4510 主要技術參數主要技術參數 最大可重復峰值正向阻斷電壓：VDRM 4500V 最大DC正向阻斷電壓： VDCLink 2800V 最大反向電壓：IGCT阻斷時 17V，導

27、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最大通態壓降： 2.7V(125oC,4000A) 最大通態電阻： 0.325mW 最大電流上升率： 0500Hz 1000A/ms 最大可斷電流: 4000A1-39IGCT實例參數實例參數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最小關斷時間： 10ms 光控I/O最小開關周期時間：60ms 最優工作頻率范圍： 1kHz 當前水平：4.5kV5.5kV/3120A 能在6000A下不用緩沖關斷、

28、集成門極引線電感極低、關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。1-402.5.5 功率模塊與功率集成電路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，稱為功率模塊功率模塊。 可縮小裝置體積，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，稱為功率集成電路功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。基本概念基本概念1-412.5.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊

29、與功率集成電路 高壓集成電路高壓集成電路（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動電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。實際應用電路實際應用電路1-422.5.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路 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

30、和散熱的處理。 以前功率集成電路的開發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難點,最近幾年獲得了迅速發展。 功率集成電路實現了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。發展現狀發展現狀1-43芯片級功率系統集成的發展芯片級功率系統集成的發展 集成化電力電子系統標準芯片（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02年：DC/DC模塊系統集成（浙大、西交）1-44本節要點 電力MOSFET和IGBT的