IGBT原理介绍

摘要IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),也称为绝缘栅双极晶体管,是一种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件,它同时具有MOSFET的高速开关及电压驱动特性和双极晶体管的低饱和电压特性及易实现较大电流的能力，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，这使得IGBT成为近年来电力电子领域中尤为瞩目的电力电子驱动器件，并且得到越来越广泛的应用。本文主要介绍了IGBT的结构特性、工作原理和驱动电路，同时简要概括了IGBT模块的选择方法和保护措施等，昀后对IGBT的实际典型应用进行了分析介绍，通过对IGBT的学习，来探讨IGBT在当代电力电子领域的广泛应用和发展前景。关键词：IGBT；绝缘栅双极晶体管；MOSFET；驱动电路；电力电子驱动器件目录摘要...................................................................................................................I1前言.................................................................................................................12IGBT的发展历程.........................................................................................13IGBT的结构特点和工作原理.................................................................24IGBT的驱动电路和保护...........................................................................44.1IGBT对驱动电路的要求...............................................................44.2IGBT实用的驱动电路....................................................................54.3IGBT的保护措施.............................................................................85IGBT的工作特性.......................................................................................116IGBT模块的选择和测试.........................................................................127IGBT的应用实例.......................................................................................157.1断路器永磁机构控制器的驱动电路.......................................157.2变频调速系统................................................................................167.3大功率商用电磁炉........................................................................178结论...............................................................................................................17参考文献..........................................................................................................181前言近年来，新型功率开关器件IGBT已逐渐被人们所认识，IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,与以前的各种电力电子器件相比，IGBI、具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性；导通状态低损耗。IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低,是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件，IGBT在综合性能方面占有明显优势，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。本文主要通过对IGBT的结构特性和工作原理的学习，来探讨IGBT在当代电力电子领域的典型实际应用和发展前景。2IGBT的发展历程1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。1这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是昀基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热点。现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路，其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。3IGBT的结构特点和工作原理IGBT是双极型晶体管（BJT）和MOSFET的复合器件，IGBT将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高祖漂流区，大大改善了器件的导通特性，同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗的特点。IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的功率晶体管。绝缘栅双极型晶体管本质上是一个场效应晶体管，在结构上与功率MOSFET相似，只是在员工率MOSFET的漏极和衬底之间额外增加了一个P+型层。2图3.1IGBT结构图如图3.1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区（包括P+和P一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannelregion）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Draininjector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴，对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT的开通和关断是由门极电压控制的，当门极加正向电压时，门极下方的P区中形成电子载流子到点沟道，电子载流子由发射极的N+区通过导电沟道注入N-区，即为IGBT内部的PNP型晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，为维持N-区的电平衡，P+区像N-区注入空穴载流子，并保持N-区具有较高的载流子浓度，即对N-区进行电导调制，减小导通电阻，使得IGBT也具有较低的通态压降。若门极上加负电压3时，MOSFET内的沟道消失，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT就关断。图3.2常用IGBT的电气符号图3.3IGBT的等效电路图3.2为IGBT的常用电气符号，IGBT的等效电路如图3.3所示，由图可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极G—发射极E间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的昀大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。4IGBT的驱动电路和保护4.1IGBT对驱动电路的要求IGBT的驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。栅极的正偏压+VGE、负偏压-VGE和栅极电阻RG的大小，对IGBT的通态电