IGBT的结构原理及特性

现代电力电子技术——3.5绝缘栅双极晶体管（IGBT）CONTENTIGBT的基本结构和工作原理3.5.1IGBT的工作特性3.5.2IGBT的主要参数3.5.31IGBT简介IGBT，绝缘栅双极晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor），它是由BJT（双极结型晶体管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组合而成的全控型、电压驱动型半导体器件。BJT（BipolarJunctionTransistor）双极结型晶体管主要特征是：耐压高、电流大、开关特性好。缺点：驱动功率大、驱动电路复杂、开关速度慢。MOSFET绝缘栅型场效应管主要特征是：驱动电路简单，所需要的驱动功率小；开关速度快、工作频率高。缺点：电流容量小、耐压低英飞凌IGBT三菱IGBTIGBT被广泛用于电动汽车、新能源装备、智能电网、轨道交通、和航空航天等领域，IGBT是能源变换和传输的最核心器件，俗称电力电子装置的CPU，是目前最先进、应用最广泛的第三代半导体器件，作为国家战略新兴产业，IGBT在涉及国家经济安全、国防安全等领域占据重要地位。2IGBT的国内外研究现状纵观全球市场，IGBT主要供应厂商基本是欧美及几家日本公司，它们代表着目前IGBT技术的最高水平，包括德国英飞凌、瑞士ABB、美国IR、飞兆以及日本三菱、东芝、富士等公司。在高电压等级领域（3300V以上）更是完全由其中几家公司所控制，在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平。这些公司不仅牢牢控制着市场，还在技术上拥有大量的专利。近几年，国内IGBT技术发展也比较快，国外厂商垄断逐渐被打破，已取得一定的突破，国内IGBT行业近几年的发展大事记：（1）2011年12月，北车西安永电成为国内第一个、世界第四个能够封装6500V以上IGBT产品的企业。（2）2013年9月，中车西安永电成功封装国内首件自主设计生产的50A/3300VIGBT芯片；（3）2014年6月，中车株洲时代推出全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线投入使用；（4）2015年10月，中车永电/上海先进联合开发的国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片通过高铁系统上车试验；（5）2016年5月，华润上华/华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300VIGBT芯片已进入量产。IGBT的基本结构和工作原理3.5.11ＩＧＢＴ的基本结构三端器件：栅极G、集电极C、发射极E。IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构示意图b)简化等效电路c)电气图形符号２ＩＧＢＴ的工作原理ＩＧＢＴ的驱动原理与电力ＭＯＳＦＥＴ基本相同，是一种场控器件，其开通和关断由栅射极电压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；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。IGBT的工作特性3.5.21静态特性图IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性２动态特性IGBT的开关特性（１）IGBT的开通过程开通延迟时间td(on)—从uGE上升至其幅值10%到iC上升到幅值的10%的时间；上升时间tr—iC从幅值的10%上升至90%所需时间；开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和。即：ton=td(on)+tr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；tfv2—MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。（2）IGBT的关断过程关断延迟时间td(off)—从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至幅值的90%；下降时间tf—iC从幅值的90%下降至10%的时间；关断时间toff—关断延迟时间与下降时间之和。即：toff=td(off)+tf下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1—IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快tfi2—IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的主要参数3.5.3（1）最大集射极间电压UCES—由内部PNP晶体管的击穿电压确定；（2）最大集电极电流—包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP；（3）最大集电极功耗PCM—正常工作温度下允许的最大功耗。（2）IGBT的的特性和参数特点总结：IGBT开关速度高，开关损耗小；在相同电压和电流情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，具有耐脉冲电流冲击能力；高压时IGBT通态压降比电力MOSFET低；IGBT输入阻抗高，输入特性与电力MOSFET类似。