绝缘栅双极晶体管技术优化措施

绝缘栅双极晶体管简称IGBT，是20世纪80年代出现的新型复合器件。它将MOSFET和GTR 的优点集于一身，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此，发展很快，在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域备受青睐。

1.IGBT 的工作原理

IGBT 是在功率MOSFET 的基础上增加了一个P＋层发射极，形成PN 结J1，并由此引出集电极C、栅极G 和发射极E。

IGBT 相当于一个由MOSFET 驱动的厚基区GTR。其剖面见图3－21，N 沟道IGBT 的图形符号如图3－22所示。P 沟道IGBT 图形符号中的箭头方向恰好相反。

图3－21　IGBT 结构剖面

图3－22　N－IGBT 图形符号

IGBT 的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正电压时，MOSFET 内形成沟道，并为PNP 晶体管提供基极电流，从而使IGBT 导通。此时，从P＋区注入到N－区的空穴（少子）对N－区进行电导调制，减小N－区的电阻Rdr，使高耐压的IGBT 也具有低的通态压降。在栅极上施以负电压时，MOSFET 内的沟道消失，PNP 晶体管的基极电流被切断，IGBT 即为关断。

2.IGBT 的主要特性

IGBT 的特性包括静态和动态两类。

（1）静态特性。IGBT 的静态特性包括转移特性和输出特性。

IGBT 的转移特性是描述集电极电流IC 与栅射电压UGE 之间关系的曲线，如图3－23（a）所示。此特性与功率MOSFET 的转移特性相似。当栅－射电压UGE 小于开启电压UGE（th）时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分范围内，IC与UGE呈线性关系。

图3－23　IGBT 的静态特性曲线

（a）转移特性；（b）输出特性

图3－23（b）所示是以栅－源电压UGE为参变量的IGBT 正向输出特性，也称伏安特性（图中UGE5 >UGE4 >UGE3 >UGE2 >UGE1），它与GTR 的输出特性基本相似，也分为饱和区、放大区、击穿区和截止区。当UGE <UGE（th）时，IGBT 处于截止区，仅有极小的漏电流存在；当UGE >UGE（th）时，IGBT 处于放大区，在该区中，IC 与UGE 几乎呈线性关系而与UCE无关，故又称线性区。饱和区是指输出特性比较明显弯曲的部分，此时集电极电流IC与栅射电压UGE不再呈线性关系。

（2）动态特性。IGBT 的动态特性也称开关特性，包括开通和关断两个部分，如图3－24所示。

图3－24　IGBT 的动态特性

IGBT 的开通时间ton由开通延迟时间td（on）和电流上升时间tr两部分组成。通常开通时间为0.5～1.2 μs。IGBT 在开通过程中大部分时间是作为MOSFET 工作的。只是在集－射极电压UCE下降过程后期（tfv2），PNP 晶体管才由放大区转到饱和区，因而增加了一段延缓时间，使集－射电压UCE波形分成两段tfv1和tfv2。

IGBT 的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。关断过程所需要的时间为关断时间toff。toff包括关断延迟时间td（offf）和电流下降时间tf两部分，在tf内，集电极电流的波形分为两段tfi1 和tfi2 对应IGBT 内部MOSFET 的关断过程，两段时间内IC 下降较快；tfi2对应于IGBT 内PNP 晶体管的关断过程，由于MOSFET 关断后，PNP 晶体管中的存储电荷难以迅速消除，所以这段时间内IC下降较慢，造成集电极电流较长的尾部时间。通常关断时间为0.55～1.5 μs。

应该注意，关断过程中集－射电压UCE的变化情况与负载的性质有关。在电感负载的情况下，UCE会陡然上升而产生过冲现象，IGBT 将承受较高的du/dt 冲击，必要时应采取措施加以抑制。

3.IGBT 的锁定效应

IGBT 实际结构的等效电路如图3－25所示。图3－25所示IGBT 内还存在一个寄生的NPN 晶体管，它与作为主开关的PNP 晶体管一起组成一个寄生的晶闸管。当集电极电流IC大到一定程度，寄生的NPN 晶体管因过高的正偏置而导通，进而使NPN 和PNP 晶体管同时处于饱和状态，造成寄生晶闸管开通，导致IGBT 栅极失去控制作用，这就是锁定效应。

图3－25　IGBT 实际结构的等效电路

由于IC过大而产生的锁定效应称为静态锁定。此外，在IGBT 关断过程中，因重加duCE/dt过大而产生较大正偏压，使寄生晶闸管导通，称为动态锁定。这种现象在感性负载时更容易发生。

为了避免IGBT 发生锁定现象，必须规定集电极电流的最大值，由于动态锁定所允许的集电极电流比静态锁定时要小，因此，最大集电极电流ICM是根据避免动态锁定而确定的，并且设计电路时应保证IGBT 中的电流不超过ICM。此外，在IGBT 关断时，栅极施加一定反压以减小重加duCE/dt。

4.IGBT 的主要参数

（1）集－射极击穿电压BUCES。集射极击穿电压BUCES决定了IGBT 的最高工作电压，它是由器件内部的PNP 晶体管所能承受的击穿电压确定的，具有正温度系数，其值大约为0.63 V/℃，即25 ℃时，具有600 V击穿电压的器件；在－55 ℃时，只有550 V 的击穿电压。

（2）开启电压UGE（th）。开启电压为转移特性与横坐标交点处的电压值，是IGBT 导通的最低栅－射极电压。UGE（th）随温度升高而下降，温度每升高1 ℃，UGE（th）值下降5 mV左右。在25 ℃时，IGBT 的开启电压一般为2～6 V。

（3）通态压降UCE（on）。IGBT 的通态压降UCE（on） 决定了通态损耗。通常IGBT 的UCE（on）为2～3 V。

（4）最大栅－射极电压UGES。栅极电压是由栅氧化层的厚度和特性所限制的。虽然栅氧化层介电击穿电压的典型值大约为80 V，但为了限制故障情况下的电流和确保长期使用的可靠性，应将栅极电压限制在20 V 之内，其最佳值一般取15 V 左右。

（5）集电极连续电流IC和峰值电流ICM。集电极流过的最大连续电流IC即为IGBT 的额定电流，其表征IGBT 的电流容量，IC主要受结温的限制。

为了避免锁定现象的发生，规定了IGBT 的最大集电极电流峰值ICM。由于IGBT 大多工作在开关状态，因而ICM更具有实际意义，只要不超过额定结温（150 ℃），IGBT 可以工作在比连续电流额定值大的峰值电流ICM范围内，通常峰值电流为额定电流的2 倍左右。

与MOSFET 相同，参数表中给出的IC为TC＝25 ℃或TC＝100 ℃时的值，在选择IGBT的型号时应根据实际工作情况考虑裕量。

5.IGBT 的安全工作区

IGBT 具有较宽的安全工作区。因IGBT 常用于开关工作状态，开通时IGBT 处于正向偏置；而关断时IGBT 处于反向偏置，故其安全工作区分为正向偏置安全工作区（FBSOA）和反向偏置安全工作区（RBSOA）。

IGBT 的正向偏置安全工作区 （FBSOA）是其在开通工作状态的参数极限范围。FBSOA 由最大集电极电流ICM、最高集－射极电压UCEM和最大功耗PCM这3 条极限边界线所围成。图3－26（a）示出了直流和脉宽分别为100 μs、10 μs 这3 种情况下的FBSOA，其中在直流工作条件下，发热严重，因而FBSOA 最小；在脉冲电流下，脉宽越窄，其FBSOA 越宽。

图3－26　IGBT 的安全工作区

（a）FBSOA；（b）RBSOA(www.xing528.com)

反向偏置安全工作区（RBSOA）是IGBT 在关断工作状态下的参数极限范围，如图3－26（b）所示。RBSOA 由最大集电极电流ICM，最大集射极间电压UCEM和关断时重加duCE/dt这3 条极限边界线所围成。因为过高的duCE/dt 会使IGBT 产生动态锁定效应，故重加duCE/dt 越大，RBSOA 越小。

6.IGBT 对驱动电路的要求

IGBT 是以GTR 为主导元件、MOSFET 为驱动元件的复合结构，所以用于功率MOSFET 的栅极驱动电路原则上也适合于IGBT。

根据IGBT 的特性，其对驱动电路的要求如下：

（1）提供适当的正、反向输出电压，使IGBT 能可靠地开通和关断。当正偏电压（＋UGE）增大时，IGBT 通态压降和开通损耗均下降，但若UGE过大，则负载短路时其IC 随UGE增大而增大，对其安全不利，一般＋UGE选（＋12～＋15）V 为最佳；负偏电压（－UGE）可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT 误导通，但其受G、E 极间最大反向耐压限制，一般取（－5～－10）V。

（2）IGBT 的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下，IGBT 的开关时间不宜过短，原因在于高速开通和关断会产生很高的尖峰电压LdiC/dt，极有可能造成IGBT 自身或其他元件击穿。

（3）IGBT 开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使IGBT 在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。

（4）IGBT 驱动电路中的电阻RG （如图3－27所示）对工作性能有较大的影响。RG较大，有利于抑制IGBT 的电流上升率diC/dt 及电压上升率du/dt，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗；RG 较小，会引起diC/dt 增大，使IGBT 误导通或损坏。RG 的选择原则是应在开关损耗不太大的情况下，选略大的RG。RG 的具体数值还与驱动电路的结构及IGBT 的容量有关，一般在几欧至几十欧，小容量的IGBT 其RG 值较大。

（5）驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的保护功能。IGBT 为压控型器件，当集－射极加高压时很容易受外界干扰，使栅－射电压超过UGE（th）引起器件误导通。为了提高抗干扰能力，除驱动IGBT 的触发引线应尽量短且应采用双绞线或屏蔽线外，在栅－射极间务必并接栅－射电阻RGE，如图3－27所示，一般取RGE＝（1 000～5 000）RG，RGE应并在栅－射极最近处。VD1、VD2是为防止驱动电路出现高压尖峰而并联的两只稳压管，稳压值应与正偏栅压与负偏栅压大小相同而方向相反。信号控制电路与驱动电路之间应采用抗干扰能力强、传输时间短的高速光耦合器件加以隔离。

图3－27　栅－射电阻与反串稳压管的并联电路

IGBT 在使用中除了采取静电防护措施外，还必须注意以下事项：

（1）IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配。

（2）当G－E 端在开路情况下，不要给C－E 端加电压。

（3）在未采取适当的防静电措施情况下，G－E 端不能开路。

7.IGBT 容量的选择

下面以逆变器中IGBT 的容量选择为例介绍，具体选择方法如下：

（1）电压额定值。IGBT 的额定电压由逆变器（交－直－交逆变器）的交流输入电压决定，因为它决定了后面环节可能出现的最大电压峰值。再考虑2 倍裕量，即

元件的额定电压＝2××电网电压（单相为相电压，三相为线电压）

交流输入电压与IGBT 额定电压的关系如表3－1所示。

表3－1　交流输入电压与IGBT 额定电压的关系

（2）电流额定值。IGBT 的额定电流取决于逆变器的容量，而逆变器的容量与其所驱动的电动机密切相关。设电动机的输出功率为P，则逆变器容量为

式中，cos ϕ 为电动机功率因数。

由式（3－7）可得逆变器的电流有效值为

式中，U为交流电源电压有效值。

由于IGBT 是工作在开关状态，故计算其电流额定值时，应考虑其在整个运行过程中可能承受的最大峰值电流ICM为

式中，K1为过载系数（裕量），取K1＝2；K2为考虑电网电压波动等因素，取K2＝1.2。

综合上述式子得

设逆变器所接交流电源电压为220 V，该逆变器向3.7 kW 电动机供电，电动机功率因数cos ϕ＝0.75，则该逆变器中的IGBT 的最大峰值电流ICM为

则该逆变器中IGBT 的容量为600 V、50 A。

IGBT 的型号举例如表3－2所示

表3－2　IGBT 的型号举例

8.IGBT 与MOSFET 和GTR 的比较

IGBT 与MOSFET 和GTR 的比较见表3－3。

表3－3　IGBT 与MOSFET 和GTR 的比较