绝缘栅双极晶体管（IGBT）的基本特性与驱动张冬冬（华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206）The Basic Characteristics and the Drive of Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)Zhang Dong-dong(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)ABSTRACT: IGBT is short for Insulate Gate Bipolar Transistor. It greatly expands the semiconductor device applications field in power industry, as it has multiple advantages of MOSFET and GTR. For example, it improves the performance of the air conditioner remarkably when used in convert circuits in frequency conversion air conditioner.GTR saturated pressure drop, the carrier density, but the drive current is larger; MOSFET drive power is small, fast switching speed, but the conduction voltage drop large carrier density. IGBT combines the advantages of these two devices, drive power is small and saturated pressure drop. V ery suitable for DC voltage of 600V and above converter systems such as AC motor, inverter, switching power supply, electric lighting.KEY WORDS：IGBT, converter, switching power supply摘要：IGBT的全称是Insulate Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极晶体管。
它兼具MOSFET 和GTR的多项优点，极大的扩展了半导体器件的功率应用领域。
例如将之应用于变频空调逆变电路当中，显著地改善了空调的性能。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
关键词：绝缘栅双极晶体管，逆变器，变频器，开关电源1 IGBT器件的发展和研究现状1.1 电力器件的发展历史IGBT的全称是Insulate Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极晶体管，它是适应了功率半导体器件(也叫电力电子器件)的发展而产生的。
自1982年IGBT由GE公司和RCA公司首先宣布以来，引起了世界许多半导体厂家和研究者的再砚，围际上再大半导体公司都投入巨资发展IGBT，GE公司称之为IGT(Insulated Gate Transistor)；RCA公司称之为COMFET(Conductivity Modulated FET)；Motorola公司称之为GEMFET(Gain Enhancement FET)：IXY公司称之为MOS-IGT；东芝公司称之为IGBT、IGR(Insulated Gate Rectifier)、BIFET(Bipolar FET)，目前已统一称为IGBT。
经过二、三十年的发展，IGBT大略经历了以下几个阶段：在IGBT发明之仞，首先大规模制造的主要是穿通型IGBT(PT-IGBT)，其饱和压降较高，开关叫间较长：其后是寻求IGBT图形设计的最佳化；接下来是抑制寄生器件的工作：然后是通过引入微细化工艺来改善IGBT的综合特性：90年代中至今，人们热衷于研究沟槽结构制作的IGBT，以求大大减小元胞尺寸，增大单位面积的元胞密度和沟道宽度，同时通过降低MOSFET部分的沟道电阻，改善饱和压降：此后则更以有选择的寿命控制来改善器件特性。
在下一部分将要介绍的商品化五代IGBT产品中，将相应的体现出这几个阶段的特色。
80年代仞期，删于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属一氧化物一半导体)T艺应用到IGBT中来。
在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT(非穿通)型设计。
后来，通过采用PT(穿通)型结构的方法，得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压来设计的N-缓冲层的发展而展开的。
90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT：采用从大规模集成(LSI)工艺借鉴而来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通(PT)型结构。
在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断利间之间折衷的重要改进。
1996年，CSTBT(载流子储存的沟槽栅双极晶体管)使第5代IGBT模块得以实现。
它采用了弱穿通(LPT)芯片结构，叉采用了更先进的宽无胞间距的设计。
目前，包括“反向阻断型”(逆阻型)功能或“反向导通型”(逆导型)功能的IGBT器件新概念正引起人们的关注，以求得进一步优化。
1.2 IGBT发展现状10年前，IGBT出现在世界技术舞台的时候，尽管它凝聚了高电压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细加工手段二者的精华，表现出很好的综合性能，许多人仍难以相信这种器件在大功率领域中的生命力。
现在，跨世纪的IGBT显示了巨大的进展，形成了一个新的器件应用平台。
1.2.1 IGBT的模块化由于IGBT高频性能的改进，可将驱动电路、保护电路和故障诊断电路集成在一起，制成智能功率模块，一般情况下采用电压触发。
通过采用大规模集成电路的精细制作工艺并对器件的少数载流子寿命进行控制，新一代功率IGBT芯片已问世。
第三代IGBT 与第一代产品相比，在断态下降时间及饱和电压特性上均有较大的提高。
IGBT是双极型晶体管（BJT）和MOSFET的复合器件，其将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高阻漂移区，大大改善了器件的导通性，同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗，为电压驱动器件。
开通和关断时均具有较宽的安全工作区，IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）等器件。
IGBT的模块内置整流模块电路、逆变主回路和再生回路，以降低损耗和降低成本，这种新型模块称为功率集成模块，简称PIM(Power Integrated Module)。
IGBT模块是一种高速开关，第四代IGBT在开发中主要采取如下几项新技术。
(1) FWD（Free Wheeling Diode）技术在模块中选用降低正向电压（VF）的二极管器件，据测试在600V和1200V系列中，逆变器载波频率为10kHz时产生的损耗与旧系列相比降低20％。
(2) 蚀刻模块单元的微细化技术由于控制极的宽度（LH）已达到最佳化设计，故集电—射极之间的饱和电压VCE （SA T）可降低0.5V，使开关损耗降低。
(3) NPT(Non Punch Through)技术使载流子寿命得到控制，从而减少开关损耗对温度的依存性。
这样，可减少长期使用过程中的开关损耗。
对于IGBT这类高速开关的要求无非是高速性和柔性恢复性。
对于正向电压VF和恢复损耗Err二者相比，在设计时宁可选择较高的VF值。
但当选用高VF值在变频器低频工作时，将会使FWD的导通时间加长并使平均损耗增加，也使变频器在低速高力矩时温升提高。
为此第四代IGBT特别注意到设计最佳的电极构造，从而改善了VF、Err关系，使FWD的VF降低0.4V～0.5V，总损耗减少20％。
FUJIP系列IGBT采用NPT工艺制造，比PT(Punch Through)IGBT有更多的优越性，特别适用于变频器、交流伺服系统、UPS、电焊电源等领域，其显著特点如下：（1）电流额定值是在Tc=800℃时标出的。
（2）P系列IGBT的VCE（SA T）与温度成正比，易于并联。
（3）开关损耗的温度系数比PT-IGBT 小，当结温升高时，其开关损耗比PT-IGBT 增加的少，因此P系列模块更适合高频应用。
（4）1400V系列模块可用于AC380V 至575V的功率变换设备中。
（5）P系列中，尤其是1400V模块比PT-IGBT有更大的安全工作区，反偏安全工作区（RBSOA）和短路安全工作区（SCSOA）都为矩形。
其RBSOA可达额定电流的两倍，SCSOA可达额定电流的十倍。
因此，吸收电路可大大地简化，同时，短路承受能力也大大提高。
（6）低损耗、软开关，它的dv/dt只有普通模块的1/2，大大降低了EMI噪声。
目前，IGBT已发展到第四代；西门子/EUPEC已可提供电流从10A～2.4kA，电压范围为600V～3.3kV的IGBT模块，以1.2kA/3.3kVIGBT为例，其栅极发射极电压仅为15V，触发功率低、关断损耗小、di/dt.du/dt都得到有效的控制。
当前高压IGBT的研制和应用水平为：600A～800A/6.5kV，工作频率为18kHz～20kHZ，在工艺上，高压IGBT开发主要采取以下措施:一是采用沟槽结构，挖掉了位于栅极下方、夹在P型基区中间的结型场效应晶体管的电阻，改善了减小通态压降和提高频率特性之间的矛盾；二是采用非穿通（NPT）结构取代穿通（PT）结构，因为NPT结构的IGBT芯片具有正电阻温度系数、易于并联，这是IGBT大功率化的必由之路；三是高压IGBT作为高频器件，电磁兼容问题值得重视，采用电感封装技术可确保系统长期可靠的运行，大容量高压IGBT 适合采用平板式封装结构。
1.2.2 第四代IGBT的基本特点(1) 沟槽（Trench）结构同各种电力半导体一样，IGBT向大功率化发展的内部动力也是减小通态压降和增加开关速度（降低关断时间）之间矛盾的折衷。
在常规的一至二代IGBT中，其MOS 沟道是平行于硅片表面的。