1．前言　　在绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)得到大力发展以前，功率场效应管MOSFET被用于需要快速开关的中低压场合，晶闸管、GTO被用于中高压领域。MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点；但是，在200V或更高电压的场合，MOSFET的导通电阻随着击穿电压的增加会迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在着不能得到高耐压、大容量元件等的缺陷。双极晶体管具有优异的低正向导通压降特性，虽然可以得到高耐压、大容量的元件；但是它要求的驱动电流大，控制电路非常复杂，而且交换速度不够快。　　IGBT正是作为顺应这种要求而开发的，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十KHz频率范围内。基于这些优异的特性，IGBT一直广泛使用在超过300V电压的应用中，模块化的IGBT可以满足更高的电流传导要求，其应用领域不断提高，今后将有更大的发展。　　2．IGBT构造与特性　　IGBT是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型开关器件，是通过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的，性能上也是结合了MOSFET和双极型功率晶体管的优点。N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态压降。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。　　　　IGBT是由一个N沟道的MOSFET和一个PNP型GTR组成，它实际是以GTR为主导元件，以MOSFET为驱动元件的复合管。IGBT除了内含PNP晶体管结构，还有NPN晶体管结构，该NPN晶体管通过将其基极与发射极短接至MOSFET的源极金属端使之关断。IGBT的4层PNPN结构，内含的PNP与NPN晶体管形成了一个可控硅的结构，有可能会造成IGBT的擎柱效应。IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中（感性负载）需要搭配适当的快恢复二极管。　　IGBT的理想等效电路及实际等效如图所示：　　　　IGBT的理想等效电路及实际等效电路　　由等效电路可将IGBT作为是对PNP双极晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片型Bi-MOS晶体管。　　因此，在门极-发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时，PNP晶体管的基极-集电极就连接上了低电阻，从而使PNP晶体管处于导通状态，由于通过在漏极上追加p+层，在导通状态下从p+层向n基极注入空穴，从而引发传导性能的转变，因此它与功率MOSFET相比，可以得到极低的通态电阻。　　此后，使门极-发射极之间的电压为0V时，首先功率MOSFET处于断路状态，PNP晶体管的基极电流被切断，从而处于断路状态。　　如上所述，IGBT和功率MOSFET一样，通过电压信号可以控制开通和关断动作。　　3．穿通型(PT) & 非穿通型(NPT)&场中止型(FS)IGBT　　PT-IGBT在数百微米厚的P+单晶衬底与N-漂移耐压层之间添加了N+缓冲层，外延层上制造复杂的正面结构。N+缓冲层通过减少少数载流子的注入及提高开关过程中的复合速度，可以提高IGBT的关断速度。此外擎柱效应也得到了改善，减少了PNP晶体管的增益。但是，会造成通态压降增加。不过，N-漂移区的厚度可以减小并保持相同的正向电压阻断能力，因为N+缓冲层可以提高正向电压阻断能力，从而降低通态压降。因此，PT-IGBT相对于NPT-IGBT具有优越的开关速度和正向压降折衷特性。PT-IGBT的导通压降VCEsat具有负温度系数，热电正反馈效应很容易使电流集中，诱发二次击穿，器件高温稳定性差，不利于并联工作。　　高压NPT-IGBT采用N-型单晶为起始材料，单晶衬底上直接制造正面复杂的结构，结构完成后，从衬底背面采用研磨、腐蚀的方法减薄到耐压所需的厚度，之后很薄的P+集电区通过离子注入形成，掺杂浓度较低，对少子电子是透明的，主要（约70%）电子流形式的电流通过集电结。器件关断时，漂移区存储的大量过剩电子通过透明集电区能迅速流出，而空穴本来就能顺利流向发射极。因此NPT-IGBT不需要载流子寿命控制就能实现快速关断。漂移区载流子寿命足够长，通态压降VCEsat具有正温度系数。　　FS-IGBT是通过在传统的NPT-IGBT的衬底区和集电区之间加入一个n型掺杂附加层实现，这个附加层被称为电场中止（fieldstop）层。一般衬底厚度是标志通态损耗大小的参数—饱和电压VCEsat的主要决定因素。衬底越厚，饱和电压越大。传统的NPT-IGBT以较厚硅片为基本，1200V耐压IGBT大概200微米厚。从图中电场强度分布曲线可看出，在关断期间整个衬底中电场强度线性下降，最后到零。这种电场分布对应的掺杂浓度分布（均匀分布）是一种很差的分布，它意味着导通状态下衬底的内部电阻相当大。若为了降低电阻调整衬底掺杂浓度则会对器件其他参数带来不利影响。而FS-IGBT电场中止层的掺杂总剂量设计为能使电场强度在这一层中基本降低为零。就是说该层以下衬底中电场强度的降低可以忽略，因而，IGBT的电压阻断能力与衬底厚度不再有关系，可以研磨的更薄。使IGBT具有很低的饱和电压，从而有很低的通态损耗。　　传统的NPT-IGBT和Fieldstop IGBT在关断状态的剖面和电场分布　　4．IGBT工作原理　　IGBT导通过程：当N沟道类型的 IGBT处在正向阻断模式时，通过栅极-发射极间施加阀值电压VTH以上的(正)电压，在栅极电极正下方的p层上形成反型层(沟道)，发射极电极下的n-层电子开始注入沟道，该电子为PNP晶体管的少数载流子，若此时集电极与发射极电压在0.7V以上，从集电极衬底p+层开始流入空穴，进行电导率调制(双极工作)，所以可以使集电极-发射极间饱和电压降低。基片的应用在管体的P+衬底和N+漂移区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗， 并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流);空穴电流(双极)。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。电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。　　IGBT关断过程：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。当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，反型层无法维持，沟道被禁止，供应到N-漂移区的电子流被阻断，没有空穴注入N-区内。关断过程开始，但是关断不能迅速完成。MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为正向传导过程中的N-漂移区被注入少数空穴载流子。换向开始后，由于沟道电子流的中止，集电极的电流急剧降低，然后在N-层内还存在少数的载流子(少子)进行复合，集电极电流再逐渐降低。这种拖尾电流的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度有关。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，会引起以下问题：功耗升高;交叉导通问题，特别是在使用 续流二极管的设备上，问题更加明显。 深圳德意志工业有限公司提供
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　　总损耗是两部分损耗之和：
　　Ptot = Pcond + Psw
　　在这一点上，总功耗显然与Ets 和 VCE(sat)两个主要参数有内在的联系。
　　这些变量之间适度的平衡关系，与IGBT技术密切相关，并为客户最大限度降低终端设备的综合散热提供了选择的机会。
　　因此，为最大限度地降低功耗，根据终端设备的频率，以及与特殊应用有内在联系的特性，用户应选择不同的器件。
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IR的高频IGBT联合封装25A HEXFRED二极管
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　　国际整流器公司(International Rectifier，简称IR)宣布推出一款 NPT型――，其中联合封装有一个工作频率高达150kHz、电流25A的HEXFRED。这款新品的推出扩展了高频IGBT/HEXFRED二极管联合封装器件中的WARP2产品系列。
　　IRGP50B60PD配备的HEXFRED二极管可处理更大的反向电流，在电信设备、服务器系统等设备(功率1-12kW)的大电流、高频率中实现高效率。它适用于功率因数修正(PFC)与全桥原边开关、大功率、和工业开关等应用。
　　新器件利用IR的薄晶圆制造技术，有助于缩短少数载流子的消耗时间，加快关断速度。其关断拖尾电流极小，关断开关损耗(EOFF)很低，有助于设计人员提高电路的运行频率。
　　WARP2 IGBT新产品具备更完善的开关性能，配合经优化的正温度系数特性和更低的门开通电荷，有效提升了电流密度。在并行模式下，正温度系数能发挥安全、可靠、高效的电流共享性能。IRGP50B60PD及(无铅版)现已开始供货。每一万片订货量的单价为4.15美元(仅供参考)。&&来源:
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[新品资讯]IGBT的工作频率范围与计算方式
& &IGBT的开关频率不是算出来的，只能是在变频电源生产厂家生产时测试它工作的最高频率，正常时候，我们使用之前都需要先确定让其大概工作在多少频率段，并经过实验调整最终确定其频率的大小。另外要明确：IGBT的开关频率就是控制电路的频率。IGBT的新技术、新工艺不断有新的突破；应用频率硬开关5KHz～40KHz，软开关40KHz～150KHz；功率从五千瓦到几百千瓦！ IGBT的开关频率如下表所示：
&影响IGBT开关频率的因素 &&
& 开关管频率一般看开关器件本身，装置容量和拓扑基本确定了开关器件类型，从而确定了频率。基于减小磁性元件体积和重量考虑，频率当然越高越好，但开关损耗和频率成正比。 开关频率决定于很多因素，例如系统性能（动态、稳态、谐波等）的要求、开关器件本身的损耗特性、散热方式（水冷/风冷）、使用环境、负载情况等等，不是一句话或者一个公式可以确定的。我们做产品时，还要考虑一些特殊的要求，比如地区性的认证要求，都可能影响开关频率。
& 一般来说，IGBT开关频率大小的确定需要考虑工作电路噪声大小、IGBT的功耗包括开通和关断、温升情况、开关管的电压电流尖峰、驱动波形的干扰情况（主要由于米勒效应引起）等。当关断信号发出时，由于电路中不能避免的电感作用，电流不会立即降为0，需等到堆集在CE两极的载流子渐渐消失，才能彻底关断。电流越大，流过的载流子就越多，堆集的也就越多，自然关断时间就越长。&
&IGBT开关频率与开关损耗的关系
&IGBT开关频率是跟开关损耗有关,和静态损耗没有关系：
&IGBT 的损耗简单分为: IGBT开关损耗+IGBT静态损耗+FWD导通损耗(如有)+FWD恢复损耗(如有)
&如果是使用现成的伺服产品，则IGBT的开关频率不是可以随便设的，比如 Rexroth和Lenze的只能在4、8、16KHz这3档中选，功率愈大，频率相应的逾低，控制精度要求逾高，频率相应地逾高。&
&值得一提的是如果是自己设计伺服，则需根据器件的开关速度，封装的热阻和最大耗散能力等指标，以及电流环精度需求，妥善选择。常见的频率有20KHz，16KHz ，15KHz，12KHz，10KHz，9KHz，8KHz，6KHz，5KHz，4.5KHz，4KHz等较为整装的数值。 总之是一个实践性很强的东西。&& && && &&
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UPS的一般技术指标-输入整流器采用IGBT情况
10:17:03 & 作者： & 来源：UPS论坛
用IGBT构成的高频整流器和用晶闸管一样是对输入电压波形实行切割，所不同的是，晶闸管是对输入电压波形实现集中切割，需要多少切割多少;而且BT是对输入电压波形实行均匀地高频切割
　　1)IGBT构成高频整流器的整流波形　　　　用IGBT构成的高频整流器和用晶闸管一样是对输入电压波形实行切割，所不同的是，晶闸管是对输入电压波形实现集中切割，需要多少切割多少;而且BT是对输入电压波形实行均匀地高频切割，如图2.18所示。有的是频率固定而切割宽度可调，有的是宽度固定而频率可调，这样做的目的是为了使输入电流和电压同相，达到输入功率因数为l的目的。既然如此，就和用晶闸管时不一样了，是不是就可以将输人电压的变化范围变得很大呢?事情也并非如此简单。为了说明这个问题，不得不从IGBT的性质说起，而且IGBT将是图2.18用IGBT作高频整流器的切割波形情况今后中的主导器件。
　　　　2)IGBT的性能　　　　IGBT称做绝缘门极双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor)，它是综合了功率场效应管MOSFET和达林顿晶体管GTR二者的优点的一种器件。由表2.1可以看出它们之间的关系。
　　　　从表中可以看出，IGBT的性能处于功率场效应管MOSFET和达林顿晶体管GTR之间，并且集中了二者的优点。比如，GTR是电流驱动，因此驱动效率低、驱动电路复杂，而MOSFET是电压驱动，因此驱动效率特别高，驱动电路也简单，于是，IGBT就采用了电压驱动方式;器件打开后，MOSFET的饱和压降大，造成功耗大、效率低，而GTR的饱和压降非常低，因此其功耗小、效率高，故IGBT就采用了它的这个优点，等等。所以IGBT一问世就得到了广泛的使用。据东芝公司以前的报导，A等级IGBT的导通电阻是同一耐压规格功率MOSFET的1110;开关时间是同规格GTR的1110。一般GTR的工作频率在5kHz以下，MOSFET在30kHz以上，IGBT的工作频率在10~30kHz之间。　　　　3)IGBT的简单工作原理　　　　上述那些优点是如何实现的呢?这个问题可以用图2.19(a)所示的简化等效电路来说明。IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，图中电阻Rd，是厚基区GTR基区内的调制电阻。它有三个极，分别称做漏极D(Drain)、游、极S(Source)和栅极G(Gate)，有的也将栅极称为门极。由这个等效电路图也可以看出，IGBT是以GTR为主导的器件，MOS-FET只是一个驱动器件。图中的GTR是PNP管构成的达林顿管，MOSFET为N沟道器件。因此这种结构称为N-IGBT，或称N沟道IGBT。　　　　IGBT的图形符号有两种，如图2.19(b)所示。图2.19(b)左面表示的是N-IGBT的一种图形符号，它和MOSFET的图形符号基本相似，不同的是在漏极增加了一个向内的箭头，其含义就是注入孔穴。至于P-IGBT的图形符号也类似，只要把原来的箭头方向反转180。就可以了。图2.19(b)右面表示的是N-IGBT的另一种图形符号，在这里漏极和源极的名称被集电极C(Collector)和发射极E(Emitter)所代替。
　　　　IGBT的开通与关断是由门极电压来控制的。门极加上正向电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流通路，从而打开IGBT，使其进入导通状态。此时，从P(区)注入到N(区)的空穴(少数载流子)对N(区)进行电导调制，以减小N(区)的电阻Rd"使Rd，耐压的IGBT也具有通态电压特性。在门极上施加反向电压后，MOSFET的沟道消失，PNP晶体管的基极电流通道被切断，从而IGBT被关断。由此可见，IGBT的驱动原理与MOSFET基本相同。　　　　4)IGBT的掣住效应与安全工作区　　　　(1)IGBT的掣住效应　　　　IGBT在UPS中应用颇广，尤其在高频机中，整流器和逆变器己应用多时，成为UPS的主导器件，因此不妨在这里多作一些介绍。虽然已被广泛应用于功率电子设备中，但和其他器件一样，IGBT也不是十全十美的，也有一定的局限性。掣住效应与安全工作区的限制就规定了它的使用范围和存在的问题。为了简单起见，曾用图2.19(a)的等效电路来说明它的工作原理，但是IGBT更复杂的现象需用图2.20的等效电路来解释。从这个等效电路中可以看出，IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管存在，它由PNP和NPN两个晶体管构成，这也正是晶闸管的等效电路。NPN晶体管的基极与发射极之间由于器件PN结结构的原因形成了一个井联的体区电阻Rbr，在该电阻上P型体区的横向空穴流会产生一个压降。对于13结来说，相当于加上了一个正向偏置电压，在规定的漏极电流范围内，这个正向偏压值并不大，对NPN晶体管不起作用。当漏极电流增大到一定程度时，该正向偏置电压就足以使NPN晶体管开通，由于NPN晶体管的开通为PNP晶体管的基极电流提供了通路，进而使这个管子也达到开启的程度，PNP晶体管的开通又为NPN提供了足够的基极电流，这样一个死循环雪崩式的正因馈过程使寄生晶闸管完全开通，这时即使在门极上施加负偏压也不能控制其关断，这就是所谓的掣住效应。IGBT出现掣住效应后，漏极电流因已不受控制而进一步增大，最后导致器件损坏。由此可知，漏极电流有一个临界值10M，大于此值的电流就会导致掣住效应。为此，器件制造厂必须规定漏极的电流最大值10M，以及与此相应的门源电压最大值。漏极通态电流的连续值超过10M时产生的掣住效应称为静态掣住现象。
　　　　值得指出的是，lGBT在关断的动态过程中也会产生掣住效应。动态掣住效应所允许的漏极电流比静态时小，因此，制造厂家所规定的10M值一般是按动态掣住效应所允许的最大漏极电流确定的。lGBT关断时，MOSFET的关断十分迅速，lGBT的总电流也很快减小为零。与此相应，12结上的反向电压也在迅速建立，此电压建立的快慢与lGBT所能承受的重加电压变化率也os/dt有关。duos/dt越大，12结上的反向电压就建立得越快;但同时duos/dt在12结上引起的位移电流el2(duos/dt)越大。此位移电流为空穴电流，也称做出口s/dt电流。当duos/dt电流流过体区扩展电阻Rb，时，就会产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压，从而满足寄生晶闸管开通掣住的条件。由此可知，动态过程中掣住现象的产生主要由duos/出来决定。除此之外还有温度的影响，当温度过高时PNP和NPN晶体管的泄漏电流也会使寄生晶闸管产生导通掣住的现象。　　　　从上述的讨论可以看出，当采用lGBT进行高频整流时，也会出现与晶闸管同样的情况。因此，它的输人电压范围也不会比晶闸管宽，一旦掣住现象发生也将面临和晶闸管同样的命运，在设计时要充分考虑到这一点。　　　　为了避免lGBT出现掣住现象，在设计电路时应保证lGBT中的电流不要超过10M;或者用加大门极电阻矶的办法延长lGBT的关断时间，或减小重加duos/dt值。　　　　(2)lGBT的安全工作区SOA(SafeOperatingArea)　　　　任何元器件都存在一个安全工作区，lGBT也不例外，它在开通与关断时也有安全区。　　　　在上例N型lGBT中，开通时为正向偏置，其安全区称为正向偏置安全工作区，简写为FB-SOA，如图2.21(a)所示。FBSOA与其导通时间t密切相关，导通时间很短时FBSOA为矩形区域，随着导通时间的加长，安全区的范围逐渐缩小，直流(DC)工作时的范围最小。这是因为导通时间越长，发热越严重。这种情况与MOSFET的情况相似。　　　　IGBT关断时的门极电压为反向偏置，其安全区称为反向偏置安全工作区，简写为RB-SOA，如图2.21(b)所示。RBSOA和FBSOA稍有不同，RBSOA随着IGBT关断时的重加duos/dt而改变。电压巾。s/dt上升率越大，安全工作区越小，它与晶闸管和GTO等器件一样，过高的重加duos/dt会使IGBT导通，产生掣住效应。一般通过适当选择门源电压和门极驱动电阻即可减缓重加duos/dt的速率，以防止掣住效应的发生。
　　　　最大漏极电流10M是根据避免动态掣住效应而确定的，与此相应还确定了最大的门源电压VCSM，只要不超过这个值，外电路发生故障时，lGBT从饱和导通状态进人放大状态，漏极电流与漏游、电压元关，基本保持为恒定值，这种特性有利于通过控制门极电压使漏极电流不再增加，进而避免掣住效应的发生。在这种状态下应尽快关断lGBT，以避免因过度发热而导致器件损坏。比如当门源电压VCS=10~15V时，漏极电流可在5~10猀蔀蕑过额定电流4~10倍，在这种情况下仍能用反向偏置的VCS进行关断。若超过这个界限，IGBT就有损坏的危险。　　　　IGBT允许的最大漏源电压VOSM是由该器件中PNP晶体管的击穿电压确定的，目前已有耐压1200V以上的器件。IGBT的最高允许结温一般商用器件为150"(:。功率MOSFET的通态压降随着结温的升高而显著增加，而且BT的通态压降VOS(on)则在室温和最高结温之间变化甚小，其原因是IGBT中MOSFET部分的压降为正温度系数，而PNP晶体管部分的压降是负温度系数，两者相结合使器件获得了良好的温度特性。现以东芝公司MG25N2S1型25A110∞V的IG-BT模块为例，说明它的具体特性和参数，便不了解这种器件的读者有一个定性和定量的印象。表2.2给出了该模块的最大额定值;表2.3给出了其各种电气特性。在这里IGBT各电极的参数采用图2.19(b)右图所示的符号，即漏极改为集电极，源极改为发射极。　　　　在上述表中，源漏电压(即集电极-发射极电压)VCES可以是600V、1000V和1200V等，但其门极-发射极电压VCES是不可以超过的，同样结温和紧固力矩也是不可以超过的。
编辑：Andly}