电力电子技术-2.5_IGBT

1-12.4.4绝缘栅双极晶体管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-gateBipolarTransistor——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量，以期再取代GTO的地位。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。1-2IGBT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。1-3IGBT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。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)1-4IGBT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，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。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)1-5IGBT的结构GECP+N-N+P集电极栅极N沟道IGBTQ2Q1RBRd发射极寄生三极管GIGBT结构示意图Q3RdQ1N-PN+Q2RBECP+N-PN+PGCEGCE图形符号结构与电力MOSFET区别于N＋层被P＋层替换形成IGBT的集电极IGBT＝MOSFET＋P＋N－P晶体管Q2组合形成。•寄生有基射短路的N-PN+晶体管Q1。通常Q1始终截止。Q1导通将产生挚住效应导致关断困难。过高的dUce/dt可使Q1导通。现代产品已可有效防止其导通。Q2的出现使工作时产生电导调制效应，克服了高耐压与导通电阻的矛盾。1-6IGBT实用等效电路•Q1截止时IGBT的实用等效电路•Uce0,P+N-反偏，反向阻断。Uce0,N-P反偏，正向阻断。正反阻断能力近似相等。GIGBT实用等效电路RdECP+N-PN+VFViciDiTudsuceuge1-7IGBT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。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。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。GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)1-8a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的静态特性IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))输出特性•分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。•当UCE0时，IGBT处于方向阻断工作状态，在系统运行中，IGBT处于开关状态，因而在正向阻断区和饱和区之间来回转换。1-9IGBT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。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1-10IGBT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。tfv1——IGBT中MOSFET关断过程，电流下降速度较快。tfv2——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。（可以如GTR降低饱和程度来提高速度，但损耗增加）1-11IGBT的特性和参数特点开关速度高，开关损耗小，但是由于引入了少子IGBT的关断速度比MOSFET要低。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，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。1-12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，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。1-13绝缘栅双极晶体管IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。——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确定。反向偏置安全工作区（RBSOA）——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。正偏安全工作区（FBSOA）1-143)IGBT的主要参数——正常工作温度下允许的最大功耗。(3)最大集电极功耗PCM——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。(2)最大集电极电流——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)最大集射极间电压UCES1-15IGBT_5SNS0300U120100主要参数：•VCES1200V•IC(DC)300A•Tc(OP)-40~125oC•VCESATIC300A,VGE15V:1.9V25oC,2.1V125oC•tdonIC300AVcc600V25oC150ns125oC180ns•tfon80nstdoff25oC770ns125oC750ns•tfon70ns1-16IGBT_5SNA600G650100主要参数：•VCES6500V•IC(DC)600AVCESATIC600A,VGE15V:4.2V25oC,5.5V125oC•tdonIC600AVcc3000V640ns/570ns•tfon270nstdoff1540ns/1860ns•tfon620ns/960ns耐压增加，管开通损耗显著增加；开关时间也明显增加1-17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FET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。10001001010.10123300V600V1200VMOSFET正向压降（V）正向电流密度（A/sp.cm)300VIGBT600V1200V1-18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。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3.2)300)(25()(TCrTrODSonDSon1-19IGBT功耗的计算ugVcc+-onofftdon12Vce00ttttrtdoff345678Vceonicce012.525ug0VccI0nstnstAIVVccrdon50,50,4,3500nst27.012VVceon5.2nstnstdoff500,400561,[0,0.5],25gUTTsnstt5.47106768sttttTtdoffrdonon8.12)5027.050(40012500)(2/12WTtIVPonceonon12.5/0WtVtVVccItIVccTPceonceononsw4.1)]2(2[123230120WtIVcctVtVVccITPceonceonoffsw4.15)2)2({168056560WPPoffswonsw8.16开关损耗＝W9.21P总损耗1-20IGBT的技术发展•第6代IGBT模块通过改进CSTBTTM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％。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、下降时间均降低了30%以上。微细化工艺沟槽技术有选择的寿命控制，饱和压降和关断时间下降到1.5V/0.1ms。1-212.5其他新型电力电子器件【简介】MOS控制晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管IGCT功率模块与功率集成电路1-222.5.1MOS控制晶闸管MCTMCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET与晶闸管的复合1-23MCT的结构与特性•低导通损耗，高电流容量，驱动简单，开关频率较高。Q1、2组成晶闸管，N型MOS管Q4、P型Q3连Q1、2基极。N+PN-P+KGASiO2P+NPN-P+Q1N-PN+KGAQ2Q3Q4pnP+含P沟道MOSFET(关断用)N沟道MOSFET(开通用)的MCT结构GAKQ2Q1开：Q4正偏，Q3关断；栅极下P反型，Q1射基电流经Q4流向阴极，同时Q1导通集电极电流形成Q2基极电流，Q2导通，电流再生形成直到管开通完成。开通无需门极提供触发电流。触发电流由阳极提供。关：Q4负偏关断，Q3导通短路