什么是IGBT？IGBT与快恢复二极管的匹配技术

绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)综合了电力晶体管(Giant Transistor—GTR)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛;IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。

绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)综合了电力晶体管(Giant Transistor—GTR)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛;IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器(逆变器)、照相机的频闪观测器、感应加热(InductionHeating)电饭锅等领域。根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO-3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD (FleeWheelDiode)成对地(2或6组)封装起来的模块型，主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化 IGBT驱动器的原理图。

进入二十一世纪以来，以大规模风力发电、太阳能发电为代表的新能源是我国未来能源结构调整的重点发展方向，而传统的交流输电和直流输电技术已经难以满足以大规模风电和太阳能发电安全可靠接入电网的迫切需求。而基于高压大功率电力电子技术的灵活交流输电和高压直流输电是未来智能电网实现各种大规模新能源的安全高效的接入电网的核心技术之一。

在新一代高压大功率可关断电力电子器件中，由于IGBT器件的优越的门极控制功能、较低的通态损耗和电压电流参数的迅速提高，使得IGBT器件已成为大功率电力电子技术中的首选器件。IGBT能够实现节能减排，并提高电力的利用效率，具有很好的环境保护效益，被公认为电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是未来应用发展的必然方向。

不过，随着lGBT的应用日益广泛，人们对其性能的要求也越来越高，一方面，为了提高工作频率，降低系统噪声。IGBT的开关速度应越快越好，另一方面，为了在不増大散热片尺寸的情况下IGBT的功耗又必须足够低。此外，电力系统应用中，IGBT的特性必须非常稳定，保证电力的安全、可靠、稳定的运行。近几年来，芯片技术不断改进，一代又一代高性能的IGBT及IGBT模块层出不穷，尽管如此，IGBT的功耗还没有降到用户满意的程度，特性还是不够稳定。

在这种情况下，针对电力系统的特殊特点和需求，进行IGBT与快恢复二极管匹配技术的研究可以解决现阶段降低能耗、增加系统的稳定性与可靠性、减少射频与电磁干扰等问题。IGBT与快恢复二极管匹配技术不仅可以从芯片级提出相应的设计参数，还可以从模块级、装置缀、系统级提出对器件相应的参数，以用于改善整个系统的性能，比如针对IGBT的串联需求对IGBT压接式模块进行lGBT与FRD的匹配研究。

2. IGBT与快恢复二极管匹配技术

IGBT与快恢复二极管的匹配技术就是针对不同的电力应用，在特定的IGBT芯片的情况下合理设计快恢复二极管的结构参数、封装参数及电路参数的一种新型技术。此技术将为lGBT模块的设计与研制提供一定的理论和实验依据，为电力电子器件的研制和电力电子装置的研发带来优势，可以减少电力电子装置在使用中的电能损耗，为节能减排，低碳社会作出贡献。

2.1 IGBT与快恢复二极管匹配技术的特点和优势

lGBT与快恢复二极管的匹配技术的主要特点如下：

1)对于lGBT模块选择合适的IGBT芯片与快恢复二极管芯片;

2)设计更合理的芯片结构，改变lGBT芯片结构以及快恢复二极管的软度参数以求减小损耗和提高可靠性。

3)在封装上进行更加合理的设计。

4)在市场上现有的IGBT与快恢复二极管的条件下，选择合理的匹配参数。

IGBT与快恢复二极管的匹配技术优势在于可以应用到任何包含IGBT应用的场合，比如可再生能源并网、孤岛供电、城市电网供电、电网互联、无功补偿、高压变频等领域，是实现节能减持，低碳社会的有力措施，是我国建设资源节约型和环境友好型社会所急需的电力系统关键技术。

2.2 IGBT与快恢复二极管匹配的技术应用前景

做好IGBT与快恢复二极管的匹配技术就为IGBT模块的应用技术打下坚实的基础，可以应用于含有lGBT和快恢复二极管的各个行业，为节能减排，低碳生活做出有利贡献，IGBT是现代逆变器的主流功率器件，快恢复二极管是其不可缺少的搭档，这种技术可以广泛应用于变频家电、电机、太阳能发电、风力发电、电动汽车、高速铁路和智能网等各个节能领域，优化IGBT与快恢复二极管匹配技术可以使IGBT变频装置噪声降低，功率因数提高，节省电能，节省材料，缩小装置体积，降低成本使装置工作稳定可靠，寿命大大延长，减少对电网的污染。

2.3 IGBT与快恢复二极管的匹配技术的发展趋势

随着lGBT与FRD的发展，其耐压等级、电流容量和开关频率进一步得到提高，要求IGBT与FRD的匹配更加严格，特别是在高压大功率场合。随着电力电子技术和新材料器件的发展，IGBT与FRD的匹配面临更严峻的考验，合理的选择参数进行匹配不仅能够降低功率损耗，而且有利于提高器件工作可靠性。IGBT芯片的发展将会带动FRD芯片的发展，两个芯片的同时发展必然将带来IGBT与快恢复二极管的匹配技术的发展，参数的正确选择可以使IGBT模块在较大的温度和电流范围内具备较低的正向导通压降，较小的开关损耗和恢复电荷，使器件可以覆盖更广的功率范围，更好的动态抗冲击性以确保发生短路时能够避免器件损坏。

IGBT与FRD匹配的发展趋势包括：

1)用碳化硅二极管代替快恢复二极管，实验证明1200V IGBT模块总能耗可改善20%~40%。

2)新型材料：为充分利用新材料器件的优势，要求模块结构在更高结温下的寄生电感和电容要小，比如碳化硅、氨化镓器件等。

3)不断地改进IGBT与快恢复二极管的器件结构和性能，发明新型器件，组合新的模块以降低功率损耗。

3. 仿真分析

为了研究影响lGBT与快恢复二极管匹配的参数，本文采用ISE仿真软件对IGBT与快恢复二极管的匹配技术进行仿真研究。

主要进行了以下两个方面的仿真研究：1)采用不同的快恢复二极管与IGBT进行动态特性仿真;2)在同一IGBT与快恢复二极管仿真的基础上改变仿真条件进行仿真，比如改变线路的杂生电感、封装的寄生电感与电容、驱动电阻等。

IGBT是变频器的核心部件，自然要分外关注。

在实际应用中最流行和最常见的电子元器件是双极结型晶体管 BJT 和 MOS管。

你可以把IGBT看作BJT和MOS管的融合体，IGBT具有BJT的输入特性和MOS管的输出特性。

与BJT或MOS管相比，绝缘栅双极型晶体管IGBT优势在于它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高工作电压和更低MOS管输入损耗。

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什么是IGBT

IGBT是绝缘栅双极晶体管的简称，是一种三端半导体开关器件，可用于多种电子设备中的高效快速开关。

IGBT主要用于放大器，用于通过脉冲宽度调制 (PWM) 切换/处理复杂的波形。

你可以看到输入侧代表具有栅极端子的MOS管，输出侧代表具有集电极和发射极的BJT。

集电极和发射极是导通端子，栅极是控制开关操作的控制端子。

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IGBT内部结构

IGBT有三个端子(集电极、发射极和栅极)都附有金属层。然而，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。

IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件是通过组合PNP和NPN晶体管来实现的，它们构成了PNPN排列。

如上图所示，最靠近集电极区的层是 (p+) 衬底，即注入区;在它上面是 N 漂移区域，包括 N 层。注入区将大部分载流子(空穴电流)从 (p+) 注入 N- 层。

漂移区的厚度决定了 IGBT 的电压阻断能力。

漂移区域的上面是主体区域，它由 (p) 基板组成，靠近发射极，在主体区域内部，有 (n+) 层。

注入区域和 N 漂移区域之间的连接点是 J2。类似地，N-区域 和 主体区域之间的结点是结点 J1。

注意：IGBT 的结构在拓扑上类似于“MOS”栅极的晶闸管。但是，晶闸管动作和功能是可抑制的，这意味着在 IGBT 的整个器件工作范围内只允许晶体管动作。IGBT 比晶闸管更可取，因为晶闸管等待过零的快速切换。

03

IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通过激活或停用其栅极端子来开启或关闭。

如果正输入电压通过栅极，发射极保持驱动电路开启。另一方面，如果 IGBT 的栅极端电压为零或略为负，则会关闭电路应用。

由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它实现的放大量是其输出信号和控制输入信号之间的比率。

对于传统的 BJT，增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同，我们将其称为 Beta 并表示为 β。

另一方面，对于 MOS管，没有输入电流，因为栅极端子是主通道承载电流的隔离。我们通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定 IGBT 的增益。

如图所示，当集电极相对于发射极处于正电位时，N 沟道 IGBT 导通，而栅极相对于发射极也处于足够的正电位 (>V GET )。这种情况导致在栅极正下方形成反型层，从而形成沟道，并且电流开始从集电极流向发射极。

IGBT 中的集电极电流 Ic 由两个分量 Ie和 Ih 组成。Ie 是由于注入的电子通过注入层、漂移层和最终形成的沟道从集电极流向发射极的电流。Ih 是通过 Q1 和体电阻 Rb从集电极流向发射极的空穴电流。因此尽管 Ih几乎可以忽略不计，因此 Ic ≈ Ie。

在 IGBT 中观察到一种特殊现象，称为 IGBT 的闩锁。这发生在集电极电流超过某个阈值(ICE)。在这种情况下，寄生晶闸管被锁定，栅极端子失去对集电极电流的控制，即使栅极电位降低到 VGET以下，IGBT 也无法关闭。

现在要关断 IGBT，我们需要典型的换流电路，例如晶闸管强制换流的情况。如果不尽快关闭设备，可能会损坏设备。