1、1.IGBT的基本結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）本質(zhì)上是一個場效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個P型層。根據(jù)國際電工委員會的文件建議，其各部分名稱基本沿用場效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。圖1所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P型區(qū)（包括P+和P一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannelregion）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Draininjector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體

2、管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。為了兼顧長期以來人們的習慣，IEC規(guī)定：源極引出的電極端子（含電極端）稱為發(fā)射極端（子），漏極引出的電極端（子）稱為集電極端（子）。這又回到雙極晶體管的術(shù)語了。但僅此而已。IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。它在結(jié)構(gòu)上類似于MOSFET，其不同點在于IGBT是在N溝道功率MOSFET的N+基板（漏極）上增加了一個P+基板（IGBT的集電極），形成PN結(jié)j1，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與MOSFET相似。aiydzW卄怡削JrMUAK由圖2可以看出，IGBT相當于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)

3、GTR，其簡化等效電路如圖3所示。圖中Rdr是厚基區(qū)GTR的擴展電阻。IGBT是以GTR為主導件、MOSFET為驅(qū)動件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。N溝道IGBT的圖形符號有兩種，如圖4所示。實際應(yīng)用時，常使用圖25所示的符號。對于P溝道，圖形符號中的箭頭方向恰好相反，如圖4所示。IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當柵極加正電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通，此時，從P+區(qū)注到N區(qū)進行電導調(diào)制，減少N一區(qū)的電阻Rdr值，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關(guān)斷。正是由于I

4、GBT是在N溝道MOSFET的N+基板上加一層P+基板，形成了四層結(jié)構(gòu)，由PNPNPN晶體管構(gòu)成IGBT。但是，NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計時盡可能使NPN不起作用。所以說，IGBT的基本工作與NPN晶體管無關(guān)，可以認為是將N溝道MOSFET作為輸入極，PNP晶體管作為輸出極的單向達林頓管。采取這樣的結(jié)構(gòu)可在N層作電導率調(diào)制，提高電流密度。這是因為從P+基板經(jīng)過N+層向高電阻的N層注入少量載流子的結(jié)果。IGBT的設(shè)計是通過PNPNPN晶體管的連接形成晶閘管。2.IGBT模塊的術(shù)語及其特性術(shù)語說明術(shù)語符號定義及說明（測定條件參改說明書）集電極、發(fā)射極間電壓VCES柵極、發(fā)射極間短路時

5、的集電極，發(fā)射極間的最大電壓柵極發(fā)極間電壓VGES集電極、發(fā)射極間短路時的柵極，發(fā)射極間最大電壓集電極電流IC集電極所允許的最大直流電流耗散功率PC單個IGBT所允許的最大耗散功率結(jié)溫Tj元件連續(xù)工作時芯片溫廈關(guān)斷電流ICES柵極、發(fā)射極間短路，在集電極、發(fā)射極間加上指定的電壓時的集電極電流。漏電流IGES集電極、發(fā)射極間短路，在柵極、集電極間加上指定的電壓時的柵極漏電流飽和壓降VCE(sat)在指定的集電極電流和柵極電壓的情況下，集電極、發(fā)射極間的電壓。輸入電容Clss集電極、發(fā)射極間處于交流短路狀態(tài)，在柵極、發(fā)射極間及集電極、發(fā)射極間加上指定電壓時，柵極、發(fā)射極間的電容3.IGBT模塊使用

6、上的注意事項1.IGBT模塊的選定在使用IGBT模塊的場合，選擇何種電壓，電流規(guī)格的IGBT模塊，需要做周密的考慮。電流規(guī)格IGBT模塊的集電極電流增大時，V上升，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時，開關(guān)損耗增CE（-）大，原件發(fā)熱加劇。因此，根據(jù)額定損耗，開關(guān)損耗所產(chǎn)生的熱量，控制器件結(jié)溫（T）在150oCj以下（通常為安全起見，以125oC以下為宜），請使用這時的集電流以下為宜。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱也加劇，需十分注意。一般來說，要將集電極電流的最大值控制在直流額定電流以下使用，從經(jīng)濟角度這是值得推薦的。電壓規(guī)格IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即市電電源電壓緊密

7、相關(guān)。其相互關(guān)系列于表1。根據(jù)使用目的，并參考本表，請選擇相應(yīng)的元件。元器件電壓規(guī)格600V1200V1400V電源電壓200V；220V；230V；240V346V；350V；380V；400V；415V；440V575V2.防止靜電IGBT的V的耐壓值為土20V,在IGBT模塊上加出了超出耐壓值的電壓的場合，由于會導致GE損壞的危險，因而在柵極-發(fā)射極之間不能超出耐壓值的電壓，這點請注意。在使用裝置的場合，如果柵極回路不合適或者柵極回路完全不能工作時（珊極處于開路狀態(tài)），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止這類損壞情況發(fā)生，應(yīng)在柵極一發(fā)射極之間接一只10kQ左左的電阻為宜。此外

8、，由于IGBT模塊為MOS結(jié)構(gòu)，對于靜電就要十分注意。因此，請注意下面幾點：1）在使用模塊時，手持分裝件時，請勿觸摸驅(qū)動端子部份。在用導電材料連接驅(qū)動端子的模塊時，在配線未布好之前，請先不要接上模塊。盡量在底板良好接地的情況下操作。當必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電放電后，再觸摸。在焊接作業(yè)時，焊機與焊槽之間的漏泄容易引起靜電壓的產(chǎn)生，為了防止靜電的產(chǎn)生，請先將焊機處于良好的接地狀態(tài)下。裝部件的容器，請選用不帶靜電的容器。并聯(lián)問題用于大容量逆變器等控制大電流場合使用IGBT模塊時，可以使用多個器件并聯(lián)。并聯(lián)時，要使每個器件流過均等的電流是非常重要的，如果一旦電流平衡達到破壞，那么

9、電過于集中的那個器件將可能被損壞。為使并聯(lián)時電流能平衡，適當改變器件的特性及接線方法。例如。挑選器件的VCE(s相t同的并聯(lián)是很重要的。其他注意事項保存半導體原件的場所的溫度，溫度，應(yīng)保持在常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為535C，常濕的規(guī)定為4575%左右。開、關(guān)時的浪涌電壓等的測定，請在端子處測定。IGBT模塊在大功率斬波中問題的探討發(fā)布時間：10-08-11來源：點擊量：1573字段選擇：大中小斬波是電力電子控制中的一項變流技術(shù)，其實質(zhì)是直流控制的脈寬調(diào)制，因其波形如同斬切般整齊、對稱，故名斬波。斬波在內(nèi)饋調(diào)速控制中占有極為重要的地位，它不僅關(guān)系到調(diào)速的技術(shù)性能,而且直接影響設(shè)備

10、的運行安全和可靠性，因此。如何選擇斬波電路和斬波器件十分重要。IGBT是近代新發(fā)展起來的全控型功率半導體器件，它是由MOSFET(場效應(yīng)晶體管)與GTR(大功率達林頓晶體管)結(jié)合，并由前者擔任驅(qū)動，因此具有：驅(qū)動功率小，通態(tài)壓降低，開關(guān)速度快等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速、開關(guān)電源等電力電子領(lǐng)域。就全控性能而言，IGBT是最適合斬波應(yīng)用的器件，而且技術(shù)極為簡單，幾乎IGBT器件本身就構(gòu)成了斬波電路。但是要把IGBT斬波形成產(chǎn)品，問題就沒有那么簡單，特別是大功率斬波，如果不面對現(xiàn)實，認真研究、發(fā)現(xiàn)和解決存在的問題，必將事與愿違，斬波設(shè)備的可靠性將遭受嚴重的破壞。不知道是出于技術(shù)認識問題還是商務(wù)

11、目的，近來發(fā)現(xiàn)，某些企業(yè)對IGBT晶體管倍加推崇，而對晶閘管全面否定，顯然，這是不科學的。為了尊重科學和澄清事實，本文就晶閘管和以IGBT為代表的晶體管的性能、特點加以分析和對比，希望能夠并引起討論，還科學以本來面目。IGBT的標稱電流與過流能力1）IGBT的額定電流目前，IGBT的額定電流（元件標稱的電流）是以器件的最大直流電流標稱的，元件實際允許通過的電流受安全工作區(qū)的限制而減小，由圖1所示的IGBT安全工作區(qū)可見，影響通過電流的因素除了c-e電壓之外，還有工作頻率，頻率越低，導通時間越長，元件發(fā)熱越嚴重，導通電流越小。顯然，為了安全，不可能讓元件工作在最大電流狀態(tài)，必須降低電流使用，因此

12、，IGBT上述的電流標稱，實際上降低了元件的電流定額，形成標稱虛高，而能力不足。根據(jù)圖1的特性，當IGBT導通時間較長時（例如100us）,UCE電壓將降低標稱值的1/2左右;如果保持UCE不變，元件的最大集電極電流將降低額定值的2/3。因此，按照晶閘管的電流標稱標準，IGBT的標稱電流實際僅為同等晶閘管的1/3左右。例如，標稱為300A的IGBT只相當于100A的SCR（晶閘管）。又如，直流工作電流為500A的斬波電路，如果選擇晶閘管，當按：式中的Ki為電流裕度系數(shù)，取Ki=2，實際可以選擇630A標稱的晶閘管。如果選擇IGBT，應(yīng)該選擇3000A的IGBT元件。IGBT這種沿襲普通晶體管的

13、電流標稱準則，在功率開關(guān)應(yīng)用中是否合理，十分值得探討。但無論結(jié)果如何，IGBT的標稱電流在應(yīng)用時必須大打折扣是不爭的事實。2）IGBT的過流能力半導體元件的過流能力通常用允許的峰值電流IM來衡量，IGBT目前還沒有國際通用的標準，按德國EUPEC、日本三菱等公司的產(chǎn)品參數(shù)，IGBT的峰值電流定為最大集電極電流（標稱電流）的2倍。例如，標稱電流為300A元件的峰值電流為600A;而標稱800A元件的峰值電流為1600A。對比晶閘管,按國標，峰值電流為，峰值電流高達10倍額定有效值電流，而且，過流時間長達10ms，而IGBT的允許峰值電流時間據(jù)有關(guān)資料介紹僅為10us,可見IGBT的過流能力太脆弱

14、了。承受過流的能力強弱是衡量斬波工作可靠與否的關(guān)鍵，要使電路不發(fā)生過流幾乎是不可能的，負載的變化，工作狀態(tài)切換的過度過程，都將引發(fā)過流和過壓，而過流保護畢竟是被動和有限的措施，要使器件安全工作，最終還是要提高器件自身的過流能力。另外，由于受晶體管制造工藝的限制，IGBT很難制成大電流容量的單管芯，較大電流的器件實際是內(nèi)部小元件的并聯(lián)，例如，標稱電流為600A的IGBT，解剖開是8只75A元件并聯(lián)，由于元件并聯(lián)工藝（焊接）的可靠性較差，使器件較比單一管芯的晶閘管在可靠性方面明顯降低。IGBT的擎住效應(yīng)其中的NPN晶體管和體區(qū)短路電阻Rbr都是因工藝而寄生形成的，這樣，主PNP晶體管與寄生NPN晶

15、體管形成了寄生的晶閘管，當器件的集電極電流足夠大時，在電阻Rbr上產(chǎn)生正偏電壓將導致寄生晶體管導通，造成寄生晶閘管導通，IGBT的柵極失去控制，器件的電流迅猛上升超過定額值，最終燒毀器件，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)。IGBT存在靜態(tài)和動態(tài)兩種擎住效應(yīng)，分別由導通時的電流和關(guān)斷時的電壓過大而引起，要在實踐中根本避免擎住效應(yīng)是很困難的，這在某種程度大大影響了IGBT的可靠性。IGBT的高阻放大區(qū)“晶體管是一種放大器”，ABB公司的半導體專家卡羅爾在文獻1中對晶體管給出了中肯評價。晶體管與晶閘管的本質(zhì)區(qū)別在于：晶體管具有放大功能，器件存在導通、截止和放大三個工作區(qū)，而放大區(qū)的載流子處于非飽和狀態(tài)，故放大區(qū)

16、的電阻遠高于導通區(qū)；晶閘管是晶體管的正反饋組合，器件只存在導通和截止兩個工作區(qū)，沒有高阻放大區(qū)。眾所周知，功率半導體器件都是作為開關(guān)使用的，有用的工作狀態(tài)只有導通和截止，放大狀態(tài)非但沒用，反而起負面作用。理由是如果電流通過放大區(qū)，由于該區(qū)的電阻較大，必然引起劇烈的發(fā)熱，導致器件燒毀。IGBT從屬于晶體管，同樣存在高阻放大區(qū)，器件在作開關(guān)應(yīng)用時，必然經(jīng)過放大區(qū)引起發(fā)熱，這是包括IGBT在內(nèi)的晶體管在開關(guān)應(yīng)用上遜色于晶閘管的原理所在。圖4a晶閘管的PNPN結(jié)構(gòu)與等效電路IGBT的封裝形式與散熱對于半導體器件，管芯溫度是最重要的可靠條件，幾乎所有的技術(shù)參數(shù)值都是在允許溫度（通常為1200140OC）

17、條件下才成立的，如果溫度超標，器件的性能急劇下降，最終導致?lián)p壞。半導體器件的封裝形式是為器件安裝和器件散熱服務(wù)的。定額200A以上的器件，目前主要封裝形式有模塊式和平板壓接式兩種，螺栓式基本已經(jīng)淘汰。模塊式結(jié)構(gòu)多用于將數(shù)個器件整合成基本變流電路，例如，整流、逆變模塊，具有體積小，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，缺點是器件只能單面散熱，而且要求底板既要絕緣又要導熱性能好（實現(xiàn)起來很困難），只適用于中小功率的單元或器件。平板式結(jié)構(gòu)主要用于單一的大電流器件，是將器件和雙面散熱器緊固在一起，散熱器既作散熱又作電極之用。平板式的優(yōu)點是散熱性能好，器件工作安全、可靠。缺點是安裝不便，功率單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護不如模

18、塊式方便。綜合利弊，當電流大于200A（尤其是500A以上）的半導體器件上首選平板式結(jié)構(gòu)，已經(jīng)是業(yè)內(nèi)共識，只是IGBT受管芯制作原理的限制，目前無法制造成大功率芯片，不能采用平板式結(jié)構(gòu)，只好采用模塊式，雖然安裝方便，但散熱性能差不利于可靠性，這是不爭的事實。IGBT的并聯(lián)均流問題目前，國外單管IGBT的最大容量為2000A/2500V，實際的商品器件容量為1200A/2400V，根據(jù)大功率斬波的需要，通常，額定工作電流為400A1500A，考慮到器件工作安全，必須留有2倍左右的電流裕度，再結(jié)合本文前述的IGBT最大電流標稱問題，單一器件無法滿足要求，必須采用器件并聯(lián)。半導體器件并聯(lián)存在的均流問題是影響可靠性的關(guān)鍵，由于受離散性的限制，并聯(lián)器件的參數(shù)不可能完全一致，于是導致并聯(lián)器件的電流不均，此時的1+1小于2,特別是嚴重不均流時，通態(tài)電流大的器件將損壞，這是半導體器件并聯(lián)中老大難的問題，為此，要提高斬波包括其它電力電子設(shè)備的可靠性，應(yīng)該盡量避免器件并聯(lián)，而采用單管大電流器件。從理論上講，IGBT在大電流狀態(tài)具有正溫度系數(shù)，可以改善均流性能，但是畢竟有限，加上可控半導體器件的均流還要考慮驅(qū)動一致性，否則，既使導通特性一致，