绝缘栅双极晶体管(IGBT)的基本特性与驱动

绝缘栅双极晶体管（IGBT）的基本特性与驱动张冬冬（ 华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206） The Basic Characteristics and the Drive of Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Zhang Dong-dong(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)ABSTRACT: IGBT is short for Insulate Gate Bipolar Transistor. It greatly expands the semiconductor device applications field in power industry, as it has multiple advantages of MOSFET and GTR. For example, it improves the performance of the air conditioner remarkably when used in convert circuits in frequency conversion air conditioner.GTR saturated pressure drop, the carrier density, but the drive current is larger; MOSFET drive power is small, fast switching speed, but the conduction voltage drop large carrier density. IGBT combines the advantages of these two devices, drive power is small and saturated pressure drop. Very suitable for DC voltage of 600V and above converter systems such as AC motor, inverter, switching power supply, electric lighting.KEY WORDS：IGBT, converter, switching power supply摘要：IGBT 的全 称是Insulate Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极晶体管。它兼具MOSFET和GTR的多项优点，极大的扩展了半导体器件的功率应用领域。例如将之应用于变频空调逆变电路当中，显著地改善了空调的性能。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。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。关键词：绝缘栅双极晶体管，逆变器，变频器，开关电源1 IGBT器件的发展和研究现状1.1 电力器件的发展历史 IGBT的全称是Insulate Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极晶体管，它是适应了功率半导体器件(也叫电力电子器件)的发展而产生的。自1982年IGBT由GE公司和RCA公司首先宣布以来，引起了世界许多半导体厂家和研究者的再砚，围际上再大半导体公司都投入巨资发展IGBT，GE公司称之为IGT(Insulated Gate Transistor)；RCA公司称之为COMFET(Conductivity Modulated FET)；Motorola公司称之为GEMFET(Gain Enhancement FET)：IXY公司称之为MOS-IGT；东芝公司称之为IGBT、IGR(Insulated Gate Rectifier)、BIFET(Bipolar FET)，目前已统一称为IGBT。经过二、三十年的发展，IGBT大略经历了以下几个阶段：在IGBT发明之仞，首先大规模制造的主要是穿通型IGBT(PT-IGBT)，其饱和压降较高，开关叫间较长：其后是寻求IGBT图形设计的最佳化；接下来是抑制寄生器件的工作：然后是通过引入微细化工艺来改善IGBT的综合特性：90年代中至今，人们热衷于研究沟槽结构制作的IGBT，以求大大减小元胞尺寸，增大单位面积的元胞密度和沟道宽度，同时通过降低MOSFET部分的沟道电阻，改善饱和压降：此后则更以有选择的寿命控制来改善器件特性。在下一部分将要介绍的商品化五代IGBT产品中，将相应的体现出这几个阶段的特色。80年代仞期，删于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属一氧化物一半导体)T艺应用到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来设计的N-缓冲层的发展而展开的。90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT：采用从大规模集成(LSI)工艺借鉴而来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通(PT)型结构。在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断利间之间折衷的重要改进。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，叉采用了更先进的宽无胞间距的设计。目前，包括“反向阻断型”(逆阻型)功能或“反向导通型”(逆导型)功能的IGBT器件新概念正引起人们的关注，以求得进一步优化。1.2 IGBT发展现状10年前，IGBT出现在世界技术舞台的时候，尽管它凝聚了高电压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细加工手段二者的精华，表现出很好的综合性能，许多人仍难以相信这种器件在大功率领域中的生命力。现在，跨世纪的IGBT显示了巨大的进展，形成了一个新的器件应用平台。1.2.1 IGBT的模块化由于IGBT高频性能的改进，可将驱动电路、保护电路和故障诊断电路集成在一起，制成智能功率模块，一般情况下采用电压触发。通过采用大规模集成电路的精细制作工艺并对器件的少数载流子寿命进行控制，新一代功率IGBT芯片已问世。第三代IGBT与第一代产品相比，在断态下降时间及饱和电压特性上均有较大的提高。IGBT是双极型晶体管（BJT）和MOSFET的复合器件，其将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高阻漂移区，大大改善了器件的导通性，同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗，为电压驱动器件。开通和关断时均具有较宽的安全工作区，IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）等器件。IGBT的模块内置整流模块电路、逆变主回路和再生回路，以降低损耗和降低成本，这种新型模块称为功率集成模块，简称PIM(Power Integrated Module)。IGBT模块是一种高速开关，第四代IGBT在开发中主要采取如下几项新技术。(1) FWD（Free Wheeling Diode）技术在模块中选用降低正向电压（VF）的二极管器件，据测试在600V和1200V系列中，逆变器载波频率为10kHz时产生的损耗与旧系列相比降低20。(2) 蚀刻模块单元的微细化技术由于控制极的宽度（LH）已达到最佳化设计，故集电射极之间的饱和电压VCE（SAT）可降低0.5V，使开关损耗降低。(3) NPT(Non Punch Through)技术使载流子寿命得到控制，从而减少开关损耗对温度的依存性。这样，可减少长期使用过程中的开关损耗。对于IGBT这类高速开关的要求无非是高速性和柔性恢复性。对于正向电压VF和恢复损耗Err二者相比，在设计时宁可选择较高的VF值。但当选用高VF值在变频器低频工作时，将会使FWD的导通时间加长并使平均损耗增加，也使变频器在低速高力矩时温升提高。为此第四代IGBT特别注意到设计最佳的电极构造，从而改善了VF、Err关系，使FWD的VF降低0.4V0.5V，总损耗减少20。FUJIP系列IGBT采用NPT工艺制造，比PT(Punch Through)IGBT有更多的优越性，特别适用于变频器、交流伺服系统、UPS、电焊电源等领域，其显著特点如下： （1）电流额定值是在Tc=800时标出的。 （2）P系列IGBT的VCE（SAT）与温度成正比，易于并联。 （3）开关损耗的温度系数比PT-IGBT小，当结温升高时，其开关损耗比PT-IGBT增加的少，因此P系列模块更适合高频应用。 （4）1400V系列模块可用于AC380V至575V的功率变换设备中。 （5）P系列中，尤其是1400V模块比PT-IGBT有更大的安全工作区，反偏安全工作区（RBSOA）和短路安全工作区（SCSOA）都为矩形。其RBSOA可达额定电流的两倍，SCSOA可达额定电流的十倍。因此，吸收电路可大大地简化，同时，短路承受能力也大大提高。 （6）低损耗、软开关，它的dv/dt只有普通模块的1/2，大大降低了EMI噪声。 目前，IGBT已发展到第四代；西门子/EUPEC已可提供电流从10A2.4kA，电压范围为600V3.3kV的IGBT模块，以1.2kA/3.3kVIGBT为例，其栅极发射极电压仅为15V，触发功率低、关断损耗小、di/dt.du/dt都得到有效的控制。当前高压IGBT的研制和应用水平为：600A800A/6.5kV，工作频率为18kHz20kHZ，在工艺上，高压IGBT开发主要采取以下措施:一是采用沟槽结构，挖掉了位于栅极下方、夹在P型基区中间的结型场效应晶体管的电阻，改善了减小通态压降和提高频率特性之间的矛盾；二是采用非穿通（NPT）结构取代穿通（PT）结构，因为NPT结构的IGBT芯片具有正电阻温度系数、易于并联，这是IGBT大功率化的必由之路；三是高压IGBT作为高频器件，电磁兼容问题值得重视，采用电感封装技术可确保系统长期可靠的运行，大容量高压IGBT适合采用平板式封装结构。1.2.2 第四代IGBT的基本特点 (1) 沟槽（Trench）结构 同各种电力半导体一样，IGBT向大功率化发展的内部动力也是减小通态压降和增加开关速度（降低关断时间）之间矛盾的折衷。在常规的一至二代IGBT中，其MOS沟道是平行于硅片表面的。它的导通电流由两部分组成：MOS分量IMOS和晶闸管分量ISCR，为防止闩锁（Latch-up）效应，其MOS分量必须占主导。其流通途径中不可避免地存在一个位于栅极下方、夹在P型基区中间的结型场效应晶体管（JFET）的电阻RJFET，它成为提高频率特性、缩小通态压降的障碍。第四代IGBT采用特殊的工艺制成沟槽结构，挖掉了RJFET，把MOS沟道移到垂直于硅片表面的位置，元胞尺寸可减少到20。这样可提高硅片利用率，减小通态压降，也为其频率参数的改善创造了新的可能性。(2) IGBT高压化 1993年，德国EUPEC公司（欧洲电力电子公司）推出3.2kV/1.3kA的IGBT模块，但它是用多个IGBT芯片串联加并联组成的。只能说是高压化发展的一种尝试。人们曾认为IGBT耐压不会突破2kV，是因为1.2kV以下的IGBT都是用高阻外延硅片制成的，电压要达到1.5kV，外延层厚度就要超过180m，几乎是不能实用化的。 1996年，日本东芝公司推出了2.5kV/1kA的IGBT，具有同大功率晶闸管、GTO管相同的平板压接式封装结构。它突破了外延片的制约，采用（110）晶面的高阻单晶硅片制造，硅片厚度超过300m，有了足够的机械强度。 1998年，耐压4.5kV的单管IGBT开发出来，但是，要想制作单管大电流IGBT是不可能的。在IGBT的制造过程中要做十几次精细的光刻套刻，经过相应次数的高温加工，图形大到一定程度，合格率会急剧下降，甚至为零。所以，制造大功率IGBT，必然是要并联的。 东芝公司生产的2.5kV/1kAIGBT，是由24个2.5kV/80A的IGBT芯片并联而成的，还有16个2.5kV/100A的超快恢复二极管（FRED）芯片与之反并联（续流二极管）。实现单串多并结构是IGBT走向大功率化的必由之路。采用NPT结构是IGBT自如并联的必要条件。(3) 霹雳（Thunderbolt）型IGBT问世 一段时间以来，IGBT的工作频率限制在20kHz以下，在采用软开关拓扑的电路中最多可工作到50kHz以下，许多开关电源用到更高的频率，基本是功率MOS场效应管的天下。1998年在第四代技术的基础上，美国IR公司（WARP系列）和APT公司（GT系列）开发了命名为霹雳型IGBT的新器件，由二维集成转向三维集成。其额定电压达到600V，额定电流为0100A。其硬开关工作频率可达150kHz，谐振逆变软开关电路可达300kHz。它的开关特性已接近功率MOSFET，而电流密度则为MOSFET的2.5倍，即相同电流时它的硅片面积大大减小，故成本有所降低。(4) 逆导型IGBT和双向IGBT这是为适应不同应用线路的需要而研制的IGBT派生器件。2 IGBT 的工作原理和工作特性 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，流过反向基极电流，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-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使 IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。 图1 IGBT的等效电路 图2 IGBT的原理图 图3实物图IGBT 的工作特性包括静态和动态两类：2.1 IGBT的静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压 Ugs 的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似。也可分为饱和区1、放大区2 和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入 N+ 缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了 IGBT的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 Ugs(th) 时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内， Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V 左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系.IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其 B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压 Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) Uj1+Udr+IdRoh (1) 式中 Uj1JI 结的正向电压，其值为 0.71V ； Udr扩展电阻 Rdr 上的压降； Roh沟道电阻。 通态电流 Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos (2) 式中 Imos流过 MOSFET 的电流。 由于 N+ 区存在电导调制效应，所以 IGBT的通态压降小，耐压1000V 的 IGBT 通态压降为23V 。 IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 2.2 IGBT的动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为 td(on)和tri 之和。漏源电压的下降时间由 tfe1和 tfe2 组成，如图 4 所示 图4 开通时IGBT的电流和电压波形IGBT 在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为 MOSFET 关断后，PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off) 为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图 5中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv+ t(f) (3) 式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。图5 关断时IGBT的电流和电压波形 3 IGBT 的驱动与保护技术 3.1 IGBT驱动电路的原理 工作原理如图1所示(图中VIG即为IGBT管，下图同;VIs为光祸ISO1)。图6 IGBT驱动电路3.1.1 IGBT的驱动条件驱动条件与IGBT 的特性密切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能和dUDSdt 引起的误触发等问题。 正偏置电压UGE增加，通态电压下降，开通能耗Eon也下降，分别如图7a和b所示。由图中还可看出，若十UGE固定不变时，导通电压将随漏极电流增大而增高，开通损耗将随结温升高而升高。 图7正偏置电压UGE（ON）与UGE和EON的关系 负偏电压-UGE 直接影响 IGBT 的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，-UGE与集电极浪涌电流和关断能耗Eoff的关系分别如图8a和b所示。 门极电阻Rg增加，将使IGBT的开通与关断时间增加；因而使开通与关断能耗均增加。而门极电阻减少，则又使 di/dt增大，可能引发IGBT误导通，同时Rg上的损耗也有所增加。具体关系如图9 。 图8 -UGE集电极浪涌电流和关断能耗EOFF的关系图9 门极电阻RG与EON EOFF和di/dt的关系 由上述不难得知： IGBT 的特性随门板驱动条件的变化而变化 , 就象双极型晶体管的开关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。但是 IGBT 所有特性不能同时最佳化。 双极型晶体管的开关特性随基极驱动条件（Ib1，Ib2）而变化。然而，对于IGBT 来说，正如图8和图 9所示，门极驱动条件仅对其关断特性略有影响。因此，我们应将更多的注意力放在 IGBT 的开通、短路负载容量上。 对驱动电路的要求可归纳如下： l ) IGBT 与 MOSFET 都是电压驱动，都具有一个2.5 5V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此 IGBT 对栅极电荷非常敏感故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短。 2) 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压 UGE, 有足够陡的前后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外，IGBT 开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT 不退出饱和而损坏。 3) 驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。 4) 驱动电平UGE也必须综合考虑。UGE增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的IC增大， IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中UGE应选得小些，一般选1215V。 5) 在关断过程中，为尽快取PNP 管的存储电荷，须施加一负偏压UGE，但它受 IGBT的G，E间最大反向耐压限制，一般取-1v -10V 。 6） 在大电感负载下， IGBT 的开关时间不能太短，以限制出 di/dt 形成的尖峰电压，确保 IGBT 的安全。 7) 由于IGBT 在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。 8) IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对 IGBT 的保护功能，有较强的抗干扰能力。3.2 IGBT 的擎住效应与安全工作区3.2.1 IGBT擎住效应 在分析擎住效应之前，我们先回顾一下IGBT 的工作原理（这里假定不发生擎住效应）。 1) 当 UCE0时，J3反偏,类似反偏二极管，IGBT 反向阻断； 2)当 UCE 0时，在 UCUTH 的情况下，沟道未形成，IGBT 正向阻断；在UGUTH情况下，栅极的沟道形成，N+ 区的电子通过沟道进入 N-漂移区，漂移到J3 结，此时J3 结是正偏，也向 N-区注入空穴，从而在 N 一区产生电导调制，使 IGBT 正向导通。 3)IGBT的关断。在 IGBT 处于导通状态时，当栅极电压减至为零，此时 UG0UTH ，沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使 IC 有一个突降。但由于N-区注入大量电子、空穴对，IC不会立刻为零，而有一个拖尾时间。 IGBT为四层结构，体内存在一个奇生晶体管，其等效电路如图1所示。在V2的基极与发射极之间并有一个扩展电阻Rbr，在此电阻上P型体区的横向空穴会产生一定压降，对J3 结来说，相当于一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏置电压不大，V2不起作用，当Id大到一定程度时，该正偏置电压足以使V2开通，进而使V和 V3处于饱和状态，于是寄生晶体管开通，栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后，漏极电流增大，造成过高功耗，导致损坏。可见，漏极电流有一个临界值Idm。当IdIdm 时便会产生擎住效应。 在IGBT关断的动态过程中，假若dUds dt过高，那么在J2结中引起的位移电流 Cj2（dUds/dt）会越大，当该电流流过体区扩展电阻Rbr时，也可产生足以使晶体管 V2 开通的正向偏置电压，满足寄生晶体管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。使用中必须防止IGBT发生擎住效应，为此可限制 Idm值，或者用加大栅极电阻Rg的办法延长IGBT 关断时间，以减少dUds/dt值。 值得指出的是，动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住所允许的要小，放生产厂家所规定的）Id值是按动态擎住所允许的最大漏极电流来确定的。3.2.1 IGBT的安全工作区 安全工作区（SOA）反映了一个晶体管同时承受一定电压和电流的能力。 IGBT 开通时的正向偏置安全工作区（FBSOA），由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大漏极电流Idm是根据避免动态擎住而设定的，最大漏源电压Udsm是由IGBT 中晶体管V3的击穿电压所确定，最大功耗则是由最高允许结温所决定。导通时间越长，发热越严重，安全工作区则越窄，如图10所示。 a) 正偏 b）反偏图10 IGBT的安全工作区 IGBT 的反向偏置安全工作区（RBSOA）如图10 b 所示，它随 IGBT 关断时的dUdsdt而改变，dUdsdt越高，RBSOA越窄。参考文献1 葛俊，童陆园，耿俊成，等TCSC暂态过程中晶闸管导通角特性的研究J电网技术，2001，25(7)：18-22 2 余鸣，陈其工GTR 的驱动与保护电路设计J安徽机电学院学报，2002 年12 月3 卫三民，李发海一种大功率IGBT驱动及保护电路J清华大学学报（自然科学版）4 庞辉，温家良大功率l G BT串联电压不平衡机制研究J中国电机工程学报，2011年7月25日