第二章 - 5_IGBT(电力电子技术)
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Psw on Psw off
12500 400 (50 0.27 50) 12.8s I0 Vcc Vceon 1 [Vcc t 21 I 0 ( t 32 Vceont 32 )] 1.4W T 2 2 Vcc Vceon I0 1 {I 0 ( t 65 Vceont 65 ) Vcc t 86 ) 15.4W T 2 2
2.4.4
绝缘栅双极晶体管
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。
7
(b)
图2-24 IGBT的转 移特性和输出特性 b) 输出特性
IGBT的动态特性：开通特性
IGBT 的开通过程：与 MOSFET 的相似。
开 通 延 迟 时 间 td(on) ： 10% uGE 到 10% iC幅值时间。 电流上升时间 tr ： 10% iC 幅值上升 到90% iC幅值时间。 集射电压下降时间 tfv ： uCE 的下降 过程分为tfv1和tfv2两段。
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
◆ IGBT的安全工作区 ☞正向偏置安全工作区（Forward Biased Safe Operating Area——FBSOA） √根据最大集电极电流、最大集射极间电压和 最大集电极功耗确定。 ☞反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Operating Area——RBSOA） √根据最大集电极电流、最大集射极间电压和 最大允许电压上升率dUCE/dt。
耐压增加，管开通损耗显著增加；开关 15 时间也明显增加
功率MOSFET与IGBT的比较
导通压降
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。 IGBT中通态压降 MOSFET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。
IGBT 能实现电导调制而导通 的最低栅射电压，随温度升
高而略有下降。
（a）
图2-24 IGBT的转 移特性和输出特性 a) 转移特性
6
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
☞输出特性（伏安特性） √描述的是以栅射电压为参 考变量时，集电极电流IC与集 射极间电压UCE之间的关系。 √分为三个区域：正向阻断 区、有源区和饱和区。 √当UCE<0时，IGBT为反向 阻断工作状态。 √在电力电子电路中，IGBT 工作在开关状态，因而是在正 向阻断区和饱和区之间来回转 换。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1-17
IGBT功耗的计算
ug 0 ic 0 01 tdon
on
2
12.5
off
I0 7
t 25 t 8
Vcc
Vcc 350 V , I 0 4 A, t don 50ns, t r 50ns
t 21 0.27ns Vceon 2.5V
c e
U g 1,[0,0.5T ], T 25s
IGBT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。
2
IGBT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为晶体管基区内的调制电阻。
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 微细化工艺 均降低了30%以 上。
有选择的寿命控制，饱 和压降和关断时间 下降到1.5V/0.1ms。
沟槽技术
19
2.5 其他新型电力电子器件
2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力 电子器件
13
IGBT_5SNS 0300U120100
主要参数： • VCES 1200V • IC(DC) 300A • Tc(OP) -40~125oC • VCESAT IC300A ,VGE15V: 1.9V 25oC,2.1V125oC
• tdon IC300A Vcc600V 25oC 150ns 125oC 180ns • tfon 80ns tdoff 25oC 770ns 125oC 750ns • tfon 70ns
G
+ ID RN VJ1 - + + IDRon E
C IC
tfv1——IGBT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；
tfv2——MOSFET 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。
Vce 0
Vcc 3 45 tr
6
tdoff
+ u g Vceon t -
t doff 400ns, t 65 500ns
t86 10t 76 47.5ns t on T / 2 (t don t 21 t r ) t doff
Pon Vceon I 0t on / T 5.12W
T 2.3 rDSon (T ) rDSon (25 C )( ) 300
O
开关特性
开通特性二者等同。 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
发射极栅极 G E N+ N+ N+ N+ P P J3 J2 N N+ J1 P+ C 集电极 a) C IC
漂移区 缓冲区 G 注入区
+ V J1 ID RN - + + IDRon E b) 4
IGBT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。 导通：uGE 大于开启电压 UGE(th) 时，MOSFET 内 形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。
11
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
■IGBT的主要参数 ◆前面提到的各参数。 ◆最大集射极间电压UCES ☞由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿 电压所确定的。 ◆最大集电极电流 ☞包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 ◆最大集电极功耗PCM ☞在正常工作温度下允许的最大耗散功率。
12
+ ID RN VJ1 + + IDRon E C IC C G
G
3
IGBT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（电导调 制 效 应 ） ， 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。
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 Transistor—— IGBT） 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 1 量，以期再取代GTO的地位。
9
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
◆IGBT的特性和参数特点可以总结如下： ☞开关速度高，开关损耗小。 ☞在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工
作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。
☞通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的 区域。
☞输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。
+ ID RN VJ1 - + + IDRon E b)
C IC
通态压降：电导调制效应使电阻 RN 减小，使通
态压降减小。
G
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，IGBT关断。
5
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
■IGBT的基本特性
◆静态特性
☞转移特性 √描述的是集电极电流IC 与栅射电压UGE之间的关系。 √ 开 启 电 压 UGE(th) 是
8
IGBT的动态特性：关断特性
IGBT 的关断过程：与 MOSFET 的相似。
关 断 延 迟 时 间 td(off) ： 90% uGE 到 10% uCE幅值时间。 集射电压上升时间trv ： uGE电压不 变。 集电极电流下降时间tfi：90% iCM幅 值下降到 10% iCM 幅值时间。下降 过程分为tfi1和tfi2两段。 tfi1——IGBT 中 MOSFET 关断过程， 电流下降速度较快。 tfi2——PNP 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 GTR 降 低 饱 和 程度来提高速度，但损耗增加）
14
IGBT_5SNA 600G650100
主要参数： • VCES 6500V • IC(DC) 600A VCESAT IC600A ,VGE15V: 4.2V 25oC,
5.5V125oC
• tdon IC600A Vcc3000V • tfon tdoff • tfon
640ns / 570ns 270ns 1540ns / 1860ns 620ns / 960ns
正向电流密度（A/sp.cm)
1000
IGBT
100 10 1 0.1 0 1 2
300V 600V 1200V 300V 600V 1200V
MOSFET
正向压降（V） 16
3
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。 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。
☞与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流 能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特 点。 ☞为了满足实际电路的要求，IGBT往往与反并联的 快速二极管封装在一起。
10
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，P形体区电流会 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。
20
2.5.1 MOS控制晶闸管MCT
■MCT（MOS Controlled Thyristor）是将MOSFET与晶 闸管组合而成的复合型器件。
开关损耗＝ Pswon Pswoff 16.8W
总损耗P 21.9W
1-18
IGBT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,在变频运行时新产品的功耗 比传统产品 降低约20％。
12500 400 (50 0.27 50) 12.8s I0 Vcc Vceon 1 [Vcc t 21 I 0 ( t 32 Vceont 32 )] 1.4W T 2 2 Vcc Vceon I0 1 {I 0 ( t 65 Vceont 65 ) Vcc t 86 ) 15.4W T 2 2
2.4.4
绝缘栅双极晶体管
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。
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(b)
图2-24 IGBT的转 移特性和输出特性 b) 输出特性
IGBT的动态特性：开通特性
IGBT 的开通过程：与 MOSFET 的相似。
开 通 延 迟 时 间 td(on) ： 10% uGE 到 10% iC幅值时间。 电流上升时间 tr ： 10% iC 幅值上升 到90% iC幅值时间。 集射电压下降时间 tfv ： uCE 的下降 过程分为tfv1和tfv2两段。
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
◆ IGBT的安全工作区 ☞正向偏置安全工作区（Forward Biased Safe Operating Area——FBSOA） √根据最大集电极电流、最大集射极间电压和 最大集电极功耗确定。 ☞反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Operating Area——RBSOA） √根据最大集电极电流、最大集射极间电压和 最大允许电压上升率dUCE/dt。
耐压增加，管开通损耗显著增加；开关 15 时间也明显增加
功率MOSFET与IGBT的比较
导通压降
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。 IGBT中通态压降 MOSFET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。
IGBT 能实现电导调制而导通 的最低栅射电压，随温度升
高而略有下降。
（a）
图2-24 IGBT的转 移特性和输出特性 a) 转移特性
6
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
☞输出特性（伏安特性） √描述的是以栅射电压为参 考变量时，集电极电流IC与集 射极间电压UCE之间的关系。 √分为三个区域：正向阻断 区、有源区和饱和区。 √当UCE<0时，IGBT为反向 阻断工作状态。 √在电力电子电路中，IGBT 工作在开关状态，因而是在正 向阻断区和饱和区之间来回转 换。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1-17
IGBT功耗的计算
ug 0 ic 0 01 tdon
on
2
12.5
off
I0 7
t 25 t 8
Vcc
Vcc 350 V , I 0 4 A, t don 50ns, t r 50ns
t 21 0.27ns Vceon 2.5V
c e
U g 1,[0,0.5T ], T 25s
IGBT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。
2
IGBT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为晶体管基区内的调制电阻。
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 微细化工艺 均降低了30%以 上。
有选择的寿命控制，饱 和压降和关断时间 下降到1.5V/0.1ms。
沟槽技术
19
2.5 其他新型电力电子器件
2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力 电子器件
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IGBT_5SNS 0300U120100
主要参数： • VCES 1200V • IC(DC) 300A • Tc(OP) -40~125oC • VCESAT IC300A ,VGE15V: 1.9V 25oC,2.1V125oC
• tdon IC300A Vcc600V 25oC 150ns 125oC 180ns • tfon 80ns tdoff 25oC 770ns 125oC 750ns • tfon 70ns
G
+ ID RN VJ1 - + + IDRon E
C IC
tfv1——IGBT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；
tfv2——MOSFET 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。
Vce 0
Vcc 3 45 tr
6
tdoff
+ u g Vceon t -
t doff 400ns, t 65 500ns
t86 10t 76 47.5ns t on T / 2 (t don t 21 t r ) t doff
Pon Vceon I 0t on / T 5.12W
T 2.3 rDSon (T ) rDSon (25 C )( ) 300
O
开关特性
开通特性二者等同。 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
发射极栅极 G E N+ N+ N+ N+ P P J3 J2 N N+ J1 P+ C 集电极 a) C IC
漂移区 缓冲区 G 注入区
+ V J1 ID RN - + + IDRon E b) 4
IGBT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。 导通：uGE 大于开启电压 UGE(th) 时，MOSFET 内 形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。
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2.4.4 绝缘栅双极晶体管
■IGBT的主要参数 ◆前面提到的各参数。 ◆最大集射极间电压UCES ☞由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿 电压所确定的。 ◆最大集电极电流 ☞包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 ◆最大集电极功耗PCM ☞在正常工作温度下允许的最大耗散功率。
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+ ID RN VJ1 + + IDRon E C IC C G
G
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IGBT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（电导调 制 效 应 ） ， 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。
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 Transistor—— IGBT） 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 1 量，以期再取代GTO的地位。
9
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
◆IGBT的特性和参数特点可以总结如下： ☞开关速度高，开关损耗小。 ☞在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工
作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。
☞通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的 区域。
☞输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。
+ ID RN VJ1 - + + IDRon E b)
C IC
通态压降：电导调制效应使电阻 RN 减小，使通
态压降减小。
G
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，IGBT关断。
5
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
■IGBT的基本特性
◆静态特性
☞转移特性 √描述的是集电极电流IC 与栅射电压UGE之间的关系。 √ 开 启 电 压 UGE(th) 是
8
IGBT的动态特性：关断特性
IGBT 的关断过程：与 MOSFET 的相似。
关 断 延 迟 时 间 td(off) ： 90% uGE 到 10% uCE幅值时间。 集射电压上升时间trv ： uGE电压不 变。 集电极电流下降时间tfi：90% iCM幅 值下降到 10% iCM 幅值时间。下降 过程分为tfi1和tfi2两段。 tfi1——IGBT 中 MOSFET 关断过程， 电流下降速度较快。 tfi2——PNP 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 GTR 降 低 饱 和 程度来提高速度，但损耗增加）
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IGBT_5SNA 600G650100
主要参数： • VCES 6500V • IC(DC) 600A VCESAT IC600A ,VGE15V: 4.2V 25oC,
5.5V125oC
• tdon IC600A Vcc3000V • tfon tdoff • tfon
640ns / 570ns 270ns 1540ns / 1860ns 620ns / 960ns
正向电流密度（A/sp.cm)
1000
IGBT
100 10 1 0.1 0 1 2
300V 600V 1200V 300V 600V 1200V
MOSFET
正向压降（V） 16
3
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。 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。
☞与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流 能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特 点。 ☞为了满足实际电路的要求，IGBT往往与反并联的 快速二极管封装在一起。
10
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，P形体区电流会 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。
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2.5.1 MOS控制晶闸管MCT
■MCT（MOS Controlled Thyristor）是将MOSFET与晶 闸管组合而成的复合型器件。
开关损耗＝ Pswon Pswoff 16.8W
总损耗P 21.9W
1-18
IGBT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,在变频运行时新产品的功耗 比传统产品 降低约20％。