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1、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 Ga
2、te 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.G
3、TR 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. V ery suita
4、ble 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
5、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R
6、CA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(InsulatedGate Rectifier) 、BIFET(Bipolar FET)，目前已统一称为 IGBTo经过二、三十年的发展，IGBT大略
7、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DM
8、OS（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IG
9、BT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
10、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 ）
11、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，故集电一射极之间的饱和电压VCE （SAT）可降低0.5
12、V，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 %0FUJIP系列IGBT采用NPT工艺
13、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=800C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(SC
14、SOA) 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 大大提咼。(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 18kHz 20kHZ，
15、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
16、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
