注入增强栅晶体管优化

IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）是一种注入增强栅晶体管，它是电压驱动型带MOS栅极能控制大电流的电力电子新器件。日本东芝公司开发的IEGT利用了电子注入增强效应，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降、宽安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的1/10左右）、低栅极驱动功率（比GTO低两个数量级）和较高的工作频率。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性。特别是电流容量方面颇具潜力。目前，器件可靠性高，已经达到6.5kV/2.5kA的使用水平。

1.IEGT的基本结构与工作原理

IEGT是一个三端器件，对外引出三个端子，分别为集电极C、发射极E和栅极G，其基本结构和电气图形符号如图1-37所示。IEGT和IGBT结构非常相似，不同之处在于IEGT栅极宽度L_g较大，这对于其性能有很大的影响。IEGT按封装形式可分为平面型与刻槽型两种。

IEGT的开通过程如图1-38所示，使器件呈正向偏置（集电极、栅极加正电压，发射极接地）。当栅极驱动电压高于临界值时，靠近SiO₂附近的P型层表面形成反向势垒，它使发射极和集电极之间有了一条电子通道，即N沟道。这样，电子经发射极E、N⁺层、N沟道，进入N^-基区，同时空穴也从集电极发射到P基区中，由于N^-层电子浓度不大，部分空穴通过此处的PN结，也进入N^-基区。由于IEGT的栅极宽度L_g较大，其中只有一小部分直接到达P+层，并最终进入发射极，多数空穴到达对面，并且在这里堆积起来，形成图中的积累层。这些空穴可以吸引从N^-隧道中出来的电子，使电子发射显著增强，N^-基区中的电子浓度随之提高。以后重复上述过程，最终达到动态平衡，N^-基区中充满了电子，导通过程完成。

图1-37 IEGT的基本结构与电气图形符号

a）基本结构 b）电气图形符号

图1-38 IEGT的开通过程

关断过程中，首先给栅极加上负电压，P⁺区中的N沟道就消失了，电子流的通道被切断，发射极的电子发射停止，N^-区中电子浓度随之迅速下降。在N-区中的电子和此处的空穴复合消失，因此空穴浓度也大幅度下降，这样，P⁺和N^-间的PN结就得到了恢复的机会，空穴流通也被阻断，N^-区中的载流子一部分进入发射极或集电极，另外一部分则在N^-区中复合。组件中的载流子浓度降低到一定程度时，关断过程就完成了。IEGT的关断过程与IGBT非常相似，所以，和IGBT一样，IEGT也具有关断速度快、损耗低和安全工作区域较宽的优点。

2.IEGT的基本特性

（1）开通特性

IEGT的开通特性如图1-39a所示，当栅极外加控制信号由0V跃变为15V时，对栅射极间分布电容C_GE充电，栅射极间的驱动电压U_GE经过一段时间延迟t_d（on）后，由-15V上升到栅射极开通电压U_GE（on），I_C缓慢上升；在此阶段，由于位移电流的影响，U_GE和U_CE基本不变；随着I_C增加，C_GE的影响迅速减小，U_GE由U_GE（on）快速上升到15V，I_C快速上升到最大值，此后电压U_CE迅速下降到通态饱和电压U_CE（sat），I_C达到稳态值，IEGT完成开通过程。(www.xing528.com)

图1-39 IEGT的开关特性

a）开通特性 b）关断特性

（2）关断特性

IEGT的关断特性如图1-39b所示，当栅极外加控制信号由15V跃变为0V时，对栅射极间分布电容C_GE放电，栅射极间的驱动电压U_GE经过一段时间延迟t_d（off）后，由15V下降到栅射极关断电压U_GE（off），此后U_CE缓慢上升，由于位移电流的影响，I_C和U_GE基本不变；随着U_CE增加，C_GE的影响迅速减小，U_GE由U_GE（off）快速下降到-15V，U_CE快速上升到最大值，I_C迅速下降，此后U_CE进入稳态，余下的载流子被中和，IEGT完成关断过程。

3.IEGT的最大额定值与主要技术参数

表1-7、表1-8给出了ST1500GXH21型IEGT的最大额定值与电特性参数。

表1-7 ST1500GXH21型IEGT的最大额定值参数

表1-8 ST1500GXH21型IEGT的电特性参数（管壳温度T_c=125℃）

IEGT由于采用了电子注入增强效应及多片压接等新的技术和制造工艺，使其具有导通压降低、工作频率高、电压型栅极驱动、安全工作区宽、易于串联使用等优点。这也决定了IEGT非常适合在各种大功率变流器中使用，如电子开关、静止无功发生器（STATCOM）、有源滤波器（APF）等。目前，应用IEGT制作的20MVA电压型多电平IEGT逆变器已运行很长时间了。