什么是IGBT？IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)

絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)綜合了電力晶體管(Giant Transistor—GTR)和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛;IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。

絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)綜合了電力晶體管(Giant Transistor—GTR)和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛;IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS結(jié)構(gòu)雙極器件，屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。多使用在工業(yè)用電機(jī)、民用小容量電機(jī)、變換器(逆變器)、照相機(jī)的頻閃觀測(cè)器、感應(yīng)加熱(InductionHeating)電飯鍋等領(lǐng)域。根據(jù)封裝的不同，IGBT大致分為兩種類型，一種是模壓樹脂密封的三端單體封裝型，從TO-3P到小型表面貼裝都已形成系列。另一種是把IGBT與FWD (FleeWheelDiode)成對(duì)地(2或6組)封裝起來的模塊型，主要應(yīng)用在工業(yè)上。模塊的類型根據(jù)用途的不同，分為多種形狀及封裝方式，都已形成系列化。IGBT是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。MOSFET由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，與同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化 IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，以大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電為代表的新能源是我國(guó)未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)發(fā)展方向，而傳統(tǒng)的交流輸電和直流輸電技術(shù)已經(jīng)難以滿足以大規(guī)模風(fēng)電和太陽能發(fā)電安全可靠接入電網(wǎng)的迫切需求。而基于高壓大功率電力電子技術(shù)的靈活交流輸電和高壓直流輸電是未來智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種大規(guī)模新能源的安全高效的接入電網(wǎng)的核心技術(shù)之一。

在新一代高壓大功率可關(guān)斷電力電子器件中，由于IGBT器件的優(yōu)越的門極控制功能、較低的通態(tài)損耗和電壓電流參數(shù)的迅速提高，使得IGBT器件已成為大功率電力電子技術(shù)中的首選器件。IGBT能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，并提高電力的利用效率，具有很好的環(huán)境保護(hù)效益，被公認(rèn)為電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是未來應(yīng)用發(fā)展的必然方向。

不過，隨著lGBT的應(yīng)用日益廣泛，人們對(duì)其性能的要求也越來越高，一方面，為了提高工作頻率，降低系統(tǒng)噪聲。IGBT的開關(guān)速度應(yīng)越快越好，另一方面，為了在不増大散熱片尺寸的情況下IGBT的功耗又必須足夠低。此外，電力系統(tǒng)應(yīng)用中，IGBT的特性必須非常穩(wěn)定，保證電力的安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。近幾年來，芯片技術(shù)不斷改進(jìn)，一代又一代高性能的IGBT及IGBT模塊層出不窮，盡管如此，IGBT的功耗還沒有降到用戶滿意的程度，特性還是不夠穩(wěn)定。

在這種情況下，針對(duì)電力系統(tǒng)的特殊特點(diǎn)和需求，進(jìn)行IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的研究可以解決現(xiàn)階段降低能耗、增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性、減少射頻與電磁干擾等問題。IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)不僅可以從芯片級(jí)提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，還可以從模塊級(jí)、裝置綴、系統(tǒng)級(jí)提出對(duì)器件相應(yīng)的參數(shù)，以用于改善整個(gè)系統(tǒng)的性能，比如針對(duì)IGBT的串聯(lián)需求對(duì)IGBT壓接式模塊進(jìn)行l(wèi)GBT與FRD的匹配研究。

2. IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)

IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)就是針對(duì)不同的電力應(yīng)用，在特定的IGBT芯片的情況下合理設(shè)計(jì)快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、封裝參數(shù)及電路參數(shù)的一種新型技術(shù)。此技術(shù)將為lGBT模塊的設(shè)計(jì)與研制提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為電力電子器件的研制和電力電子裝置的研發(fā)帶來優(yōu)勢(shì)，可以減少電力電子裝置在使用中的電能損耗，為節(jié)能減排，低碳社會(huì)作出貢獻(xiàn)。

2.1 IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

lGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：

1)對(duì)于lGBT模塊選擇合適的IGBT芯片與快恢復(fù)二極管芯片;

2)設(shè)計(jì)更合理的芯片結(jié)構(gòu)，改變lGBT芯片結(jié)構(gòu)以及快恢復(fù)二極管的軟度參數(shù)以求減小損耗和提高可靠性。

3)在封裝上進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)。

4)在市場(chǎng)上現(xiàn)有的IGBT與快恢復(fù)二極管的條件下，選擇合理的匹配參數(shù)。

IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可以應(yīng)用到任何包含IGBT應(yīng)用的場(chǎng)合，比如可再生能源并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電、電網(wǎng)互聯(lián)、無功補(bǔ)償、高壓變頻等領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減持，低碳社會(huì)的有力措施，是我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)所急需的電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 IGBT與快恢復(fù)二極管匹配的技術(shù)應(yīng)用前景

做好IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)就為IGBT模塊的應(yīng)用技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可以應(yīng)用于含有l(wèi)GBT和快恢復(fù)二極管的各個(gè)行業(yè)，為節(jié)能減排，低碳生活做出有利貢獻(xiàn)，IGBT是現(xiàn)代逆變器的主流功率器件，快恢復(fù)二極管是其不可缺少的搭檔，這種技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于變頻家電、電機(jī)、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、高速鐵路和智能網(wǎng)等各個(gè)節(jié)能領(lǐng)域，優(yōu)化IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)可以使IGBT變頻裝置噪聲降低，功率因數(shù)提高，節(jié)省電能，節(jié)省材料，縮小裝置體積，降低成本使裝置工作穩(wěn)定可靠，壽命大大延長(zhǎng)，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。

2.3 IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著lGBT與FRD的發(fā)展，其耐壓等級(jí)、電流容量和開關(guān)頻率進(jìn)一步得到提高，要求IGBT與FRD的匹配更加嚴(yán)格，特別是在高壓大功率場(chǎng)合。隨著電力電子技術(shù)和新材料器件的發(fā)展，IGBT與FRD的匹配面臨更嚴(yán)峻的考驗(yàn)，合理的選擇參數(shù)進(jìn)行匹配不僅能夠降低功率損耗，而且有利于提高器件工作可靠性。IGBT芯片的發(fā)展將會(huì)帶動(dòng)FRD芯片的發(fā)展，兩個(gè)芯片的同時(shí)發(fā)展必然將帶來IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)的正確選擇可以使IGBT模塊在較大的溫度和電流范圍內(nèi)具備較低的正向?qū)▔航?，較小的開關(guān)損耗和恢復(fù)電荷，使器件可以覆蓋更廣的功率范圍，更好的動(dòng)態(tài)抗沖擊性以確保發(fā)生短路時(shí)能夠避免器件損壞。

IGBT與FRD匹配的發(fā)展趨勢(shì)包括：

1)用碳化硅二極管代替快恢復(fù)二極管，實(shí)驗(yàn)證明1200V IGBT模塊總能耗可改善20%~40%。

2)新型材料：為充分利用新材料器件的優(yōu)勢(shì)，要求模塊結(jié)構(gòu)在更高結(jié)溫下的寄生電感和電容要小，比如碳化硅、氨化鎵器件等。

3)不斷地改進(jìn)IGBT與快恢復(fù)二極管的器件結(jié)構(gòu)和性能，發(fā)明新型器件，組合新的模塊以降低功率損耗。

3. 仿真分析

為了研究影響lGBT與快恢復(fù)二極管匹配的參數(shù)，本文采用ISE仿真軟件對(duì)IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)進(jìn)行仿真研究。

主要進(jìn)行了以下兩個(gè)方面的仿真研究：1)采用不同的快恢復(fù)二極管與IGBT進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真;2)在同一IGBT與快恢復(fù)二極管仿真的基礎(chǔ)上改變仿真條件進(jìn)行仿真，比如改變線路的雜生電感、封裝的寄生電感與電容、驅(qū)動(dòng)電阻等。

IGBT是變頻器的核心部件，自然要分外關(guān)注。

在實(shí)際應(yīng)用中最流行和最常見的電子元器件是雙極結(jié)型晶體管 BJT 和 MOS管。

你可以把IGBT看作BJT和MOS管的融合體，IGBT具有BJT的輸入特性和MOS管的輸出特性。

與BJT或MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管IGBT優(yōu)勢(shì)在于它提供了比標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高工作電壓和更低MOS管輸入損耗。

01

什么是IGBT

IGBT是絕緣柵雙極晶體管的簡(jiǎn)稱，是一種三端半導(dǎo)體開關(guān)器件，可用于多種電子設(shè)備中的高效快速開關(guān)。

IGBT主要用于放大器，用于通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 切換/處理復(fù)雜的波形。

你可以看到輸入側(cè)代表具有柵極端子的MOS管，輸出側(cè)代表具有集電極和發(fā)射極的BJT。

集電極和發(fā)射極是導(dǎo)通端子，柵極是控制開關(guān)操作的控制端子。

02

IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)

IGBT有三個(gè)端子(集電極、發(fā)射極和柵極)都附有金屬層。然而，柵極端子上的金屬材料具有二氧化硅層。

IGBT結(jié)構(gòu)是一個(gè)四層半導(dǎo)體器件。四層器件是通過組合PNP和NPN晶體管來實(shí)現(xiàn)的，它們構(gòu)成了PNPN排列。

如上圖所示，最靠近集電極區(qū)的層是 (p+) 襯底，即注入?yún)^(qū);在它上面是 N 漂移區(qū)域，包括 N 層。注入?yún)^(qū)將大部分載流子(空穴電流)從 (p+) 注入 N- 層。

漂移區(qū)的厚度決定了 IGBT 的電壓阻斷能力。

漂移區(qū)域的上面是主體區(qū)域，它由 (p) 基板組成，靠近發(fā)射極，在主體區(qū)域內(nèi)部，有 (n+) 層。

注入?yún)^(qū)域和 N 漂移區(qū)域之間的連接點(diǎn)是 J2。類似地，N-區(qū)域 和 主體區(qū)域之間的結(jié)點(diǎn)是結(jié)點(diǎn) J1。

注意：IGBT 的結(jié)構(gòu)在拓?fù)渖项愃朴凇癕OS”柵極的晶閘管。但是，晶閘管動(dòng)作和功能是可抑制的，這意味著在 IGBT 的整個(gè)器件工作范圍內(nèi)只允許晶體管動(dòng)作。IGBT 比晶閘管更可取，因?yàn)榫чl管等待過零的快速切換。

03

IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通過激活或停用其柵極端子來開啟或關(guān)閉。

如果正輸入電壓通過柵極，發(fā)射極保持驅(qū)動(dòng)電路開啟。另一方面，如果 IGBT 的柵極端電壓為零或略為負(fù)，則會(huì)關(guān)閉電路應(yīng)用。

由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實(shí)現(xiàn)的放大量是其輸出信號(hào)和控制輸入信號(hào)之間的比率。

對(duì)于傳統(tǒng)的 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們將其稱為 Beta 并表示為 β。

另一方面，對(duì)于 MOS管，沒有輸入電流，因?yàn)闁艠O端子是主通道承載電流的隔離。我們通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

如圖所示，當(dāng)集電極相對(duì)于發(fā)射極處于正電位時(shí)，N 溝道 IGBT 導(dǎo)通，而柵極相對(duì)于發(fā)射極也處于足夠的正電位 (>V GET )。這種情況導(dǎo)致在柵極正下方形成反型層，從而形成溝道，并且電流開始從集電極流向發(fā)射極。

IGBT 中的集電極電流 Ic 由兩個(gè)分量 Ie和 Ih 組成。Ie 是由于注入的電子通過注入層、漂移層和最終形成的溝道從集電極流向發(fā)射極的電流。Ih 是通過 Q1 和體電阻 Rb從集電極流向發(fā)射極的空穴電流。因此盡管 Ih幾乎可以忽略不計(jì)，因此 Ic ≈ Ie。

在 IGBT 中觀察到一種特殊現(xiàn)象，稱為 IGBT 的閂鎖。這發(fā)生在集電極電流超過某個(gè)閾值(ICE)。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵極端子失去對(duì)集電極電流的控制，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無法關(guān)閉。

現(xiàn)在要關(guān)斷 IGBT，我們需要典型的換流電路，例如晶閘管強(qiáng)制換流的情況。如果不盡快關(guān)閉設(shè)備，可能會(huì)損壞設(shè)備。