IGBT原理介绍资料下载.pdf

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MOSFET；

驱动电路；

电力电子驱动器件；

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，是最基本的，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12001800A/18003300V，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