IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。

  
IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT結(jié)構(gòu)圖左邊所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)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。P+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-區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT*的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)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。
IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP（原來(lái)為NPN）晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對(duì)N-層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

三菱制大功率IGBT模塊編輯本段工作特性靜態(tài)特性
IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。
IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似.也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。
IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs（th） 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。zui高柵源電壓受zui大漏極電流限制，其*值一般取為15V左右。
IGBT 的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds（on） 可用下式表示
Uds（on） = Uj1 + Udr + IdRoh
式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 ～1V ;Udr ——擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降;Roh ——溝道電阻。
通態(tài)電流Ids 可用下式表示：
Ids=（1+Bpnp）Imos
式中Imos ——流過(guò)MOSFET 的電流。
由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。
動(dòng)態(tài)特性
IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過(guò)程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td（on） 為開(kāi)通延遲時(shí)間， tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton 即為td （on） tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1 和tfe2 組成。
IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。
IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗(yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td（off）為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds（f）的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖中的t（f1）和t（f2）兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間
t（off）=td（off）+trv十t（f）
式中，td（off）與trv之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。
IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。
正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求;高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級(jí)達(dá)到10KV以上，目前只能通過(guò)IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國(guó)外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國(guó)的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1um以下制作工藝，研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。
IGBT 原理方法
IGBT是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然一代功率MOSFET 器件大幅度改進(jìn)了RDS（on）特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE（sat）的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。
導(dǎo)通
IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個(gè)N+ 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒(méi)有增加這個(gè)部分）。如等效電路圖所示（圖1），其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1結(jié)。 當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電子流，并*按照功率 MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽(yáng)極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。zui后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流（MOSFET 電流）; 空穴電流（雙極）。
關(guān)斷
當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門(mén)限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開(kāi)始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，*取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)洌瑢哟魏穸群蜏囟?。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問(wèn)題：功耗升高;交叉導(dǎo)通問(wèn)題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問(wèn)題更加明顯。
鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動(dòng)性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計(jì)上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。
阻斷與閂鎖
當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)， J1 就會(huì)受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展。因過(guò)多地降低這個(gè)層面的厚度，將無(wú)法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機(jī)制十分重要。另一方面，如果過(guò)大地增加這個(gè)區(qū)域尺寸，就會(huì)連續(xù)地提高壓降。 第二點(diǎn)清楚地說(shuō)明了NPT器件的壓降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的壓降高的原因。
當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電子施加一個(gè)正電壓時(shí)，P/N J3結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。
IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個(gè)寄生PNPN晶閘管，如圖1所示。在特殊條件下，這種寄生器件會(huì)導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會(huì)使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對(duì)等效MOSFET的控制能力降低，通常還會(huì)引起器件擊穿問(wèn)題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說(shuō)，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：
當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。 只在關(guān)斷時(shí)才會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū) 。 為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施： 防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級(jí)別。 降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。 此外，閂鎖電流對(duì)PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切;在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會(huì)升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極zui大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。
發(fā)展歷史1979年，MOS柵功率開(kāi)關(guān)器件作為IGBT概念的即已被介紹到世間。這種器件表現(xiàn)為一個(gè)類晶閘管的結(jié)構(gòu)（P-N-P-N四層組成），其特點(diǎn)是通過(guò)強(qiáng)堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。
80年代初期，用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS（雙擴(kuò)散形成的金屬-氧化物-半導(dǎo)體）工藝被采用到IGBT中來(lái)。[2]在那個(gè)時(shí)候，硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT（非穿通）型設(shè)計(jì)。后來(lái)，通過(guò)采用PT（穿通）型結(jié)構(gòu)的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個(gè)顯著改進(jìn)，這是隨著硅片上外延的技術(shù)進(jìn)步，以及采用對(duì)應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計(jì)的n+緩沖層而進(jìn)展的[3]。幾年當(dāng)中，這種在采用PT設(shè)計(jì)的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)規(guī)則從5微米先進(jìn)到3微米。
90年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成（LSI）工藝借鑒來(lái)的硅干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結(jié)構(gòu)。[4]在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時(shí)間之間折衷的更重要的改進(jìn)。
硅芯片的重直結(jié)構(gòu)也得到了急劇的轉(zhuǎn)變，先是采用非穿通（NPT）結(jié)構(gòu)，繼而變化成弱穿通（LPT）結(jié)構(gòu)，這就使安全工作區(qū)（SOA）得到同表面柵結(jié)構(gòu)演變類似的改善。
這次從穿通（PT）型技術(shù)先進(jìn)到非穿通（NPT）型技術(shù)，是zui基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術(shù)會(huì)有比較高的載流子注入系數(shù)，而由于它要求對(duì)少數(shù)載流子壽命進(jìn)行控制致使其輸運(yùn)效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術(shù)則是基于不對(duì)少子壽命進(jìn)行殺傷而有很好的輸運(yùn)效率，不過(guò)其載流子注入系數(shù)卻比較低。進(jìn)而言之，非穿通（NPT）技術(shù)又被軟穿通（LPT）技術(shù)所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場(chǎng)截止”（FS）型技術(shù)，這使得“成本—性能”的綜合效果得到進(jìn)一步改善。
1996年，CSTBT（載流子儲(chǔ)存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實(shí)現(xiàn)[6]，它采用了弱穿通（LPT）芯片結(jié)構(gòu)，又采用了更先進(jìn)的寬元胞間距的設(shè)計(jì)。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向?qū)ㄐ?rdquo;（逆導(dǎo)型）功能的IGBT器件的新概念正在進(jìn)行研究，以求得進(jìn)一步優(yōu)化。
IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機(jī)車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無(wú)源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點(diǎn)。
現(xiàn)在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅(qū)動(dòng)電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外,現(xiàn)在已制造出集成化的IGBT驅(qū)動(dòng)電路.其性能更好,整機(jī)的可靠性更高及體積更小。
研發(fā)進(jìn)展IGBT（絕緣柵雙極晶體管）作為新型電力半導(dǎo)體場(chǎng)控自關(guān)斷器件，集功率MOSFET的高速性能與雙極性器件的低電阻于一體，具有輸進(jìn)阻抗高，電壓控制功耗低，控制電路簡(jiǎn)單，耐高壓，承受電流大等特性，在各種電力變換中獲得極廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠、低本錢(qián)技術(shù)，主要采用1um以下制作工藝，研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。[1]
1、低功率IGBT
IGBT應(yīng)用范圍一般都在600V、1KA、1KHz以上區(qū)域，為滿足家電行業(yè)的發(fā)展需求，摩托羅拉、ST半導(dǎo)體、三菱等公司推出低功率IGBT產(chǎn)品，實(shí)用于家電行業(yè)的微波爐、洗衣機(jī)、電磁灶、電子整流器、照相機(jī)等產(chǎn)品的應(yīng)用。
2、U-IGBT
U（溝槽結(jié)構(gòu)）--TGBT是在管芯上刻槽，芯片元胞內(nèi)部形成溝槽式柵極。采用溝道結(jié)構(gòu)后，可進(jìn)一步縮小元胞尺寸，減少溝道電阻，進(jìn)步電流密度，制造相同額定電流而芯片尺寸zui少的產(chǎn)品?，F(xiàn)有多家公司生產(chǎn)各種U—IGBT產(chǎn)品，適用低電壓驅(qū)動(dòng)、表面貼裝的要求。
3、NPT-IGBT
NPT（非傳統(tǒng)型）--IGBT采用薄硅片技術(shù)，以離子注進(jìn)發(fā)射區(qū)代替高復(fù)雜、高本錢(qián)的厚層高阻外延，可降低生產(chǎn)本錢(qián)25%左右，耐壓越高本錢(qián)差越大，在性能上更具有特色，高速、低損耗、正溫度系數(shù)，無(wú)鎖定效應(yīng)，在設(shè)計(jì)600—1200V的IGBT時(shí)，NPT—IGBT可靠性zui高。西門(mén)子公司可提供600V、1200V、1700V系列產(chǎn)品和6500V高壓IGBT，并推出低飽和壓降DLC型NPT—IGBT，依克賽斯、哈里斯、英特西爾、東芝等公司也相繼研制出NPT—IGBT及其模塊系列，富士電機(jī)、摩托羅拉等在研制之中，NPT型正成為IGBT發(fā)展方向。
4、SDB--IGBT
鑒于目前廠家對(duì)IGBT的開(kāi)發(fā)非常重視，三星、快捷等公司采用SDB（硅片直接鍵合）技術(shù)，在IC生產(chǎn)線上制作第四代高速I(mǎi)GBT及模塊系列產(chǎn)品，特點(diǎn)為高速，低飽和壓降，低拖尾電流，正溫度系數(shù)易于并聯(lián)，在600V和1200V電壓范圍性能優(yōu)良，分為UF、RUF兩大系統(tǒng)。
5、超快速I(mǎi)GBT
整流器IR公司的研發(fā)重點(diǎn)在于減少I(mǎi)GBT的拖尾效應(yīng)，使其能快速關(guān)斷，研制的超快速I(mǎi)GBT可zui大限度地減少拖尾效應(yīng)，關(guān)斷時(shí)間不超過(guò)2000ns，采用特殊高能照射分層技術(shù)，關(guān)斷時(shí)間可在100ns以下，拖尾更短，重點(diǎn)產(chǎn)品專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)，現(xiàn)有6種型號(hào)，另可用在大功率電源變換器中。
6、IGBT/FRD
IR公司在IGBT基礎(chǔ)上推出兩款結(jié)合FRD（快速恢復(fù)二極管）的新型器件，IGBT/FRD有效結(jié)合，將轉(zhuǎn)換狀態(tài)的損耗減少20%，采用TO—247外型封裝，額定規(guī)格為1200V、25、50、75、100A，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和功率轉(zhuǎn)換，以IGBT及FRD為基礎(chǔ)的新技術(shù)便于器件并聯(lián)，在多芯片模塊中實(shí)現(xiàn)更均勻的溫度，進(jìn)步整體可靠性。
7、IGBT功率模塊
IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機(jī)車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，進(jìn)步系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無(wú)源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱門(mén)。
對(duì)比輸出特性與轉(zhuǎn)移特性
IGBT的伏安特性是指以柵極電壓VGE為參變量時(shí)，集電極電流IC與集電極電壓VCE之間的關(guān)系曲線。IGBT的伏安特性與BJT的輸出特性相似，也可分為飽和區(qū)I、放大區(qū)II和擊穿區(qū)III三部分。IGBT作為開(kāi)關(guān)器件穩(wěn)態(tài)時(shí)主要工作在飽和導(dǎo)通區(qū)。IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指集電極輸出電流IC與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵極電壓VGE小于開(kāi)啟電壓VGE（th）時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，IC與VGE呈線性關(guān)系。
IGBT與MOSFET的對(duì)比：
MOSFET全稱功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它的三個(gè)極分別是源極（S）、漏極（D）和柵極（G）。
主要優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。
缺點(diǎn)：擊穿電壓低，工作電流小。
IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR（功率晶管）相結(jié)合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極（C）、發(fā)射極（E）和柵極（G）。
特點(diǎn)：擊穿電壓可達(dá)1200V，集電極zui大飽和電流已超過(guò)1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達(dá)250kVA以上，工作頻率可達(dá)20kHz。
檢測(cè)IGBT判斷極性
首先將萬(wàn)用表?yè)茉赗×1KΩ擋，用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，若某一極與其它兩極阻值為無(wú)窮大，調(diào)換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無(wú)窮大，則判斷此極為柵極（G ）其余兩極再用萬(wàn)用表測(cè)量，若測(cè)得阻值為無(wú)窮大，調(diào)換表筆后測(cè)量阻值較小。在測(cè)量阻值較小的一次中，則判斷紅表筆接的為集電極（C）;黑表筆接的為發(fā)射極（E）。
IGBT判斷好壞
將萬(wàn)用表?yè)茉赗×10KΩ擋，用黑表筆接IGBT 的集電極（C），紅表筆接IGBT 的發(fā)射極（E），此時(shí)萬(wàn)用表的指針在零位。用手指同時(shí)觸及一下柵極（G）和集電極（C），這時(shí)IGBT 被觸發(fā)導(dǎo)通，萬(wàn)用表的指針擺向阻值較小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同時(shí)觸及一下柵極（G）和發(fā)射極（E），這時(shí)IGBT 被阻斷，萬(wàn)用表的指針回零。此時(shí)即可判斷IGBT 是好的。
IGBT檢測(cè)注意事項(xiàng)
任何指針式萬(wàn)用表皆可用于檢測(cè)IGBT。注意判斷IGBT 好壞時(shí)，一定要將萬(wàn)用 表?yè)茉赗×10KΩ擋，因R×1KΩ擋以下各檔萬(wàn)用表內(nèi)部電池電壓太低，檢測(cè)好壞時(shí)不能使IGBT 導(dǎo)通，而無(wú)法判斷IGBT 的好壞。此方法同樣也可以用于檢測(cè)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）的好壞。
模塊簡(jiǎn)介IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（絕緣柵雙極型晶體管）的縮寫(xiě)，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。
若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有在u*的漏電流流過(guò)，基本上不消耗功率。
等效電路IGBT模塊的選擇
IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見(jiàn)下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時(shí)，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開(kāi)關(guān)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時(shí)應(yīng)該降等使用。
使用中的注意事項(xiàng)
由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見(jiàn)原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)：
在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸; 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊; 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒(méi)有超過(guò)柵極zui大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來(lái)傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。
此外，在柵極—發(fā)射極間開(kāi)路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過(guò)，柵極電位升高，集電極則有電流流過(guò)。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。
在使用IGBT的場(chǎng)合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(shí)（柵極處于開(kāi)路狀態(tài)），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。
在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。
保管時(shí)的注意事項(xiàng)
一般保存IGBT模塊的場(chǎng)所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為5～35℃ ，常濕的規(guī)定在45～75%左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機(jī)加濕; 盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場(chǎng)合; 在溫度發(fā)生急劇變化的場(chǎng)所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方; 保管時(shí)，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物; 裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。
IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時(shí)的注意事項(xiàng)對(duì)實(shí)際中的應(yīng)用是十分必要的。[1]
如何做好IGBT的保護(hù)*，IGBT是一種用MOS來(lái)控制晶體管的新型電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過(guò)流能力與耐過(guò)壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會(huì)使它損壞。為此，必須對(duì)IGBT進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。一般我們從過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱三方面進(jìn)行IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)。
IGBT承受過(guò)電流的時(shí)間僅為幾微秒，耐過(guò)流量小，因此使用IGBT首要注意的是過(guò)流保護(hù)。那么該如何根據(jù)IGBT的驅(qū)動(dòng)要求設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)呢?
IGBT的過(guò)流保護(hù)可分為兩種情況：（1）驅(qū)動(dòng)電路中無(wú)保護(hù)功能;（2）驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)有保護(hù)功能。對(duì)于*種情況，我們可以在主電路中要設(shè)置過(guò)流檢測(cè)器件;針對(duì)第二種情況，由于不同型號(hào)的混合驅(qū)動(dòng)模塊，其輸出能力、開(kāi)關(guān)速度與du/dt的承受能力不同，使用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)選用。對(duì)于大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過(guò)流保護(hù)則可以通過(guò)封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)或者減小柵壓來(lái)進(jìn)行保護(hù)。
過(guò)壓保護(hù)則可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：
●盡可能減少電路中的雜散電感。
●采用吸收回路。吸收回路的作用是;當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過(guò)電壓。
●適當(dāng)增大柵極電阻Rg。
IGBT的過(guò)熱保護(hù)一般是采用散熱器（包括普通散熱器與熱管散熱器），并可進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。
傳統(tǒng)與新型IGBT保護(hù)模式對(duì)比在傳統(tǒng)的使用和設(shè)計(jì)IGBT的過(guò)程中，基本上都是采用粗放式的設(shè)計(jì)模式，所需余量較大，系統(tǒng)龐大，但仍無(wú)法抵抗來(lái)自外界的干擾和自身系統(tǒng)引起的各種失效問(wèn)題。那么該如何突破傳統(tǒng)的IGBT系統(tǒng)電路保護(hù)設(shè)計(jì)來(lái)解決上述問(wèn)題呢?
傳統(tǒng)保護(hù)模式：
防護(hù)方案防止柵極電荷積累及柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞IGBT——可在G極和E極之間設(shè)置一些保護(hù)元件，如下圖的電阻RGE的作用，是使柵極積累電荷泄放（其阻值可取5kΩ）;兩個(gè)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1和V2，是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。另外，還有實(shí)現(xiàn)控制電路部分與被驅(qū)動(dòng)的IGBT之間的隔離設(shè)計(jì)，以及設(shè)計(jì)適合柵極的驅(qū)動(dòng)脈沖電路等。然而即使這樣，在實(shí)際使用的工業(yè)環(huán)境中，以上方案仍然具有比較高的產(chǎn)品失效率——有時(shí)甚至?xí)?%。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究表明：這和瞬態(tài)浪涌、靜電及高頻電子干擾有著緊密的關(guān)系，而穩(wěn)壓管在此的響應(yīng)時(shí)間和耐電流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，從而導(dǎo)致IGBT過(guò)熱而損壞。[1]

傳統(tǒng)保護(hù)模式和新型保護(hù)模式電路對(duì)比
傳統(tǒng)保護(hù)模式和新型保護(hù)模式電路對(duì)比
新型保護(hù)模式：
將傳統(tǒng)的穩(wěn)壓管改為新型的瞬態(tài)抑制二極管（TVS）。一般柵極驅(qū)動(dòng)電壓約為15V，可以選型SMBJ15CA。該產(chǎn)品可以通過(guò)IEC61000-4-5浪涌測(cè)試10/700US6kV。
TVS反應(yīng)速度極快（達(dá)PS級(jí)），通流能力遠(yuǎn)超穩(wěn)壓二極管（可達(dá)上千安培），同時(shí)，TVS對(duì)靜電具有非常好的抑制效果。該產(chǎn)品可以通過(guò)IEC61000-4-2接觸放電8kV和空氣放電15kV的放電測(cè)試。
將傳統(tǒng)電阻RG變更為正溫度系數(shù)（PPTC）保險(xiǎn)絲。它既具有電阻的效果，又對(duì)溫度比較敏感。當(dāng)內(nèi)部電流增加時(shí)，其阻抗也在增加，從而對(duì)過(guò)流具有非常好的抑制效果。
IGBT的應(yīng)用及設(shè)計(jì)作為電力電子重要大功率主流器件之一，IGBT已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用電器、交通運(yùn)輸、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。在工業(yè)應(yīng)用方面，如交通控制、功率變換、工業(yè)電機(jī)、不間斷電源、風(fēng)電與太陽(yáng)能設(shè)備，以及用于自動(dòng)控制的變頻器。在消費(fèi)電子方面，IGBT用于家用電器、相機(jī)和手機(jī)。
IGBT產(chǎn)品市場(chǎng)現(xiàn)狀分析國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求急劇上升曾使得IGBT市場(chǎng)一度被看好。雖然長(zhǎng)期來(lái)看，IGBT是一個(gè)值得期待的市場(chǎng)，可是到目前為止IGBT的核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)為大多數(shù)歐美IDM半導(dǎo)體廠商所掌控，本土廠商想要打破國(guó)外企業(yè)對(duì)國(guó)內(nèi)IGBT市場(chǎng)壟斷，還需要很多努力。并且隨著各國(guó)政府都將削減可再生能源及交通等領(lǐng)域的支出，IGBT市場(chǎng)能否再度增長(zhǎng)?根據(jù)的調(diào)查報(bào)告顯示，各種IGBT器件和模塊的銷售額在2013年將有一定程度的復(fù)蘇，2014年稍稍減速，待經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇并穩(wěn)定后，從2015年開(kāi)始將穩(wěn)定增長(zhǎng)。雖然2013年IGBT市場(chǎng)增長(zhǎng)趨勢(shì)有所下降，但隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步，其發(fā)展前景還是十分被看好的。