绝缘栅双极晶体管(IGBT)的基本特性与驱动
简述IGBT的主要特点和工作原理
简述IGBT的主要特点和工作原理一、简介IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，是一种复合全控电压驱动功率半导体器件。
由BJT（双极晶体管）和IGFET（绝缘栅场效应晶体管）组成。
IGBT兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降的优点。
GTR 的饱和电压降低，载流密度大，但驱动电流更大。
MOSFET的驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT结合了以上两种器件的优点，驱动功率小，饱和电压降低。
非常适合用于直流电压600V及以上的变流系统，如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动等领域。
IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极晶体管）和FWD（续流二极管）通过特定的电路桥封装而成的模块化半导体产品。
封装后的IGBT模块直接应用于逆变器、UPS不间断电源等设备。
IGBT模块具有节能、安装维护方便、散热稳定等特点。
一般IGBT也指IGBT模块。
随着节能环保等理念的推进，此类产品将在市场上越来越普遍。
IGBT是能量转换和传输的核心器件，俗称电力电子器件的“CPU”，广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源设备等领域。
二、IGBT的结构下图显示了一种N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。
N+区称为源极区，其上的电极称为源极（即发射极E）。
N基区称为漏区。
器件的控制区为栅极区，其上的电极称为栅极（即栅极G）。
沟道形成在栅区的边界处。
C 极和E 极之间的P 型区域称为子通道区域。
漏极区另一侧的P+ 区称为漏极注入器。
它是IGBT独有的功能区，与漏极区和子沟道区一起构成PNP双极晶体管。
它充当发射极，将空穴注入漏极，进行传导调制，并降低器件的通态电压。
《N沟道增强型绝缘栅双极晶体管》IGBT的开关作用是通过加正栅电压形成沟道，为PNP（原NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。
反之，加反向栅压消除沟道，切断基极电流，就会关断IGBT。
第二章 - 5_IGBT(电力电子技术)
主要解决挚 住效应
改善饱和压降和开 关特性：N+缓冲 层、P+层浓度、 厚度最佳化、新 寿命控制，饱和 压降、下降时间 微细化工艺 均降低了30%以 上。
有选择的寿命控制，饱 和压降和关断时间 下降到1.5V/0.1ms。
沟槽技术
19
2.5 其他新型电力电子器件
2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力 电子器件
11
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
■IGBT的主要参数 ◆前面提到的各参数。 ◆最大集射极间电压UCES ☞由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿 电压所确定的。 ◆最大集电极电流 ☞包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 ◆最大集电极功耗PCM ☞在正常工作温度下允许的最大耗散功率。
12
正向电流密度（A/sp.cm)
1000
IGBT
100 10 1 0.1 0 1 2
300V 600V 1200V 300V 600V 1200V
MOSFET
正向压降（V） 16
3
温度特性
功率MOSFET 导通时温升沟道电阻速增，200度时可达室温时的3倍。考 虑温升必须降电流定额使用。 IGBT 可在近200度下连续运行。导通时，MOS段的N通 道电阻具有正温度系数，Q2的射基结具有负温度系数，总 通态压降受温度影响非常小。
13
IGBT_5SNS 0300U120100
主要参数： • VCES 1200V • IC(DC) 300A • Tc(OP) -40~125oC • VCESAT IC300A ,VGE15V: 1.9V 25oC,2.1V125oC
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作原理、基本特性、主要参数
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理、基本特性、主要参数绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合型电力电子器件。
它结合了MOSFET和电力晶体管GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因而具有良好的特性。
自1986年IGBT开始投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分MOSFET的市场，成为中、小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
IGBT的结构与工作原理IGBT是三端器件。
具有栅极G、集电极C和发射极E。
图1（a）给出了一种由N 沟道MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。
与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J1。
这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。
图1 IGBT的结构、等效电路和电气符号从图1可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。
因此，IGBT 的驱动原理与MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅射电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。
由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1（c）所示。
实验一 绝缘栅双极型晶体管
实验一绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究一．实验目的：1.熟悉IGBT开关特性的测试方法；2.掌握混合集成驱动电路EXB840的工作原理与调试方法。
二．实验内容1.EXB840性能测试；2.IGBT开关特性测试；3.过流保护性能测试。
三．实验方法1．EXB840性能测试（1）输入输出延时时间测试IGBT部分的“1”与PWM波形发生部分的“1”相连，IGBT部分的“13”与PWM 波形发生部分的“2”相连，再将IGBT部分的“10”与“13”相连，与门输入“2”与“1”相连，用示波器观察输入“1”与“13”及EXB840输出“12”与“13”之间波形，记录开通与关断延时时间。
t on= ，t off=（2）保护输出部分光耦延时时间测试将IGBT部分“10”与“13”的连线断开，并将“6”与“7”相连。
用示波器观察“8”与“13”及“4”与“13”之间波形，记录延时时间。
（3）过流慢速关断时间测试接线同上，用示波器观察“1”与“13”及“12”与“13”之间波形，记录慢速关断时间。
（4）关断时的负栅压测试断开“10”与“13”的相连，其余接线同上，用示波器观察“12”与“17”之间波形，记录关断时的负栅压值。
（5）过流阀值电压测试断开“10”与“13”的连接，断开“2”与“1”的连接，分别连接“2”与“3”，“4”与“5”，“6”与“7”，分别将主回路的“3”与“4”和“10”与“17”相连，即按照以下表格的说明连线。
将主电路的RP左旋到底，用示波器观察“12”与“17”之间波形，将RP逐渐向右旋转，边旋转边监视波形，一旦该波形消失时即停止旋转，测出主回路“3”与“4”之间电压值，该值即为过流保护阀值电压值。
2．开关特性测试（1）电阻负载时开关特性测试将“1”与“13”分别与波形发生器“1”与“2”相连，“4”与“5”，“6”与“7”，‘2“与”3“，“12”与“14”，“10”与“18”，“17”与“16”相连，主回路的“1”用示波器分别观察“14”与“15”及“16”与“15”的波形，记录开通延迟时间。
绝缘栅双极型晶体管
绝缘栅双极型晶体管一、 IGBT介绍IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极晶体管，是由BJT(双极型)和MOS()组成的复合全控型驱动式功率, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优势。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种的优势，驱动功率小而饱和压降低。
超级适合应用于为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、、照明电路、牵引传动等领域。
二、 IGBT的结构左侧所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极结构， 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。
的操纵区为栅区，附于其上的电极称为（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，与漏区和亚沟道区一路形成PNP，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。
附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原先为NPN)晶体管提供基极，使IGBT导通。
反之，加反向门极电压排除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。
IGBT的驱动方式和MOSFET大体相同，只需操纵输入极N-沟道MOSFET，因此具有高输入阻抗特性。
当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
三、关于IGBT的测试IGBT模块的测试分为两大类:一类是静态参数测试，即在IGBT模块结温为25C时进行测试，现在IGBT工作在非开关状态；另一类是动态参数测试，即在IGBT模块结温为1时进行测试，现在IGBT工作在开关状态。
电力电子半导体器件(IGBT)
c. 栅分布锁定：是因为绝缘栅旳电容效应，造成在开关过程中个别先开通或 后关断旳IGBT之中旳电流密度过大而形成局部锁定。
——采用多种工艺措施，能够提升锁定电流，克服因为锁定产生旳失效。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数旳关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT旳锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一种 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管构成。在NPN晶 体管旳基极与发射极之间并有一种体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区旳横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一种正偏置电压。在要求旳漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓旳擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高旳功耗，最终造成器件损坏。
在使用中为了防止IGBT发生擎住现象:
1．设计电路时应确保IGBT中旳电流不超出IDM值； 2．用加大门极电阻RG旳方法延长IGBT旳关断时间，减小重加
dVDS/d t。 3．器件制造厂家也在IGBT旳工艺与构造上想方设法尽量提
高IDM值，尽量防止产生擎住效应。
（四）安全工作区 1．FBSOA：IGBT开通时正向偏置安全工作区。
4．开关特征：
与功率MOSFET相比，IGBT 通态压降要小得多，1000V旳 IGBT约有2~5Ｖ旳通态压降。这 是因为IGBT中N－漂移区存在电 导调制效应旳缘故。
IGBT绝缘栅极双极型晶体管
•
在使用IGBT的场合，当栅极回路不正 常或栅极回路损坏时（栅极处于开路状 态），若在主回路上加上电压，则IGBT就 会损坏，为防止此类故障，应在G栅极与E 发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。
图片
名词定义
• • • • • • • • • • 专业术语 符号 定义 集电极、发射极间电压 VCES 栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最 大电压 栅极发极间电压 VGES 集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大 电压 集电极电流 IC 集电极所允许的最大直流电流 耗散功率 PC 单个IGBT所允许的最大耗散功率 结温 Tj 元件连续工作时芯片温厦 关断电流 ICES 栅极、发射极间短路，在集电极、发射极 间加上 指定的电压时的集电极电流 漏电流 IGES 集电极、发射极间短路，在栅极、集电极间加上 指定的电压时的栅极漏电流 饱和压降 V CE(sat) 在指定的集电极电流和栅极电压的情况下，集电 极、发射极间的电压。 输入电容 Clss 集电极、发射极间处于交流短路状态，在栅极、发 射极间及集电极、发射极间加上指定电压时， 栅极、发射极 绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场 效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层 • IEC规定：源极引出的电极端子（含电极端） 称为发射极端（子），漏极引出的电极端（子） 称为集电极端（子）
工作原理
• 在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正 电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电 极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通； • 若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则 MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使 得晶体管截止。 • IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件， 在它的栅极G—发射极E间施加十几V的直流电压， 只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。
绝缘栅双极型晶体管_IGBT_驱动及保护电路的研究
文章编号:1007-6735(2004)03-0283-03 收稿日期:2004-01-05 基金项目:上海市教委青年基金资助项目(02GQ29) 作者简介:郝润科(1963-),男,副教授.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动及保护电路的研究郝润科, 杨一波(上海理工大学电气工程学院,上海 200093)摘要:介绍了绝缘栅双极型晶体管(IG B T )模块的电气特性和对栅极驱动的要求,结合IG B T 模块的电气特性对IG B T 驱动电路和保护电路的设计进行了分析和讨论,并给出了一些典型电路以供大家参考.关键词:绝缘栅双极型晶体管;驱动;保护中图分类号:TN 386 文献标识码:AStudy on IGBT drive and protection circuitHAO Run 2ke , YANG Y i 2bo(College of Elect ric Engineering ,U niversity of S hanghai f or Science and Technology ,S hanghai 200093,China )Abstract :The electric features of IG B T and the requirement for gate drive are introduced.The analysis and discussion on the design of IG B T and protection circuit are mainly focused and some typical circuits are presented for reference.K ey w ords :I GB T ;drive ;protect 绝缘栅双极型晶体管(IG B T )是近年来发展起来的半导体器件,它集功率场效应管MOSFET 和功率晶体管GTR 的优点于一身,具有输入阻抗高、开关频率高(10～40kHz )、峰值电流容量大、自关断、低功耗和易于驱动等特点,是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件之一,被广泛用于各种电机控制驱动、不间断电源、医疗设备和逆变焊机等领域.IG B T 的驱动和保护是其应用中的关键技术,本文就此进行了较详细的研究.1 IG B T 的电气特性IG B T 是在功率MOSFET 漏区加入P +N 结构构成的,导通电阻降低到普通功率MOSFET 的1/10,其等效电路如图1所示[1,2].其中R 是厚基区调制电阻,IG B T 可认为是由具有高输入阻抗、高速MOSFET 驱动的双极型晶体管.图2(见下页)为IG B T 的电气特性(IG B T 为200A/1200V ),图2a 是集射电压U CE 与集电极电流I C 的关系,图2b 是栅极电压U GE 与集电极电流I C 的关系曲线.图1 IG B T 的等效电路Fig.1 Equivalent circuit of IG B T上海理工大学学报 第26卷 第3期J.University of Shanghai for Science and TechnologyVol.26 No.3 2004 图2 IG B T 的电气特性Fig.2 Electric feature of IG B T2 IG B T 栅极驱动2.1 驱动电压的幅值 IG B T 为电压控制器件,从其电气特性图2b 可知,当U GE ≥U GE (th )(U GE (th )为阈值电压)时,IG B T 即可开通,一般情况下U GE (th )=5～6V.由图2a 可知,当U GE 增加时,通态电压U CE 减小,通态损耗减小,IG B T 承受短路电流能力减小;当U GE 太大时,可能会引起栅极电压振荡,损坏栅极.所以,在实际应用中应折中考虑栅极电压的选取,为获得通态压降小,同时IG B T 又具有较好的承受短路电流的能力,U GE 应折中取12～15V 为宜,12V 最佳. 在需要IG B T 关断期间,为提高IG B T 的抗干扰能力及承受d i /d t 上升率能力(其中i 为电流,t 为时间),保证其可靠地关断,最好给栅射极间加5～10V 的负偏压,过大的反向偏压会造成IG B T 栅射极反向击穿.2.2 栅极串联电阻为抑制栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡,减小开关d i /d t 和IG B T 集电极尖峰电压,应在栅极串联一个电阻R G .在选取R G 值时,应根据IG B T 电流容量和电压额定值以及开关频率选取.当R G 过大时,IG B T 的开关时间延长,开关损耗加大;R G 减小时,IG B T 的开关时间和开关损耗减小;但当R G 过小时,可导致栅源之间振荡,IG B T 集电极d i /d t 增加,引起IG B T 集电极尖峰电压,使IG B T 损坏.通常选取R G 值在几欧姆到十几欧姆之间,如10Ω、15Ω、27Ω等.2.3 栅射极并联电阻在IG B T 开通期间,其集电极会经常出现振荡电压,通过栅-集电容的联系,栅极电压也会受到影响,可能导致U GE 超过阈值电压U GE (th ),引起IG B T 误导通,而且当U GE 一旦产生过电压(IG B T 栅极耐压约20V )就会损坏IG B T.为防止这类现象的发生,可采取在栅射极之间并联稳压二极管或电阻R GE 的方法.因稳压二极管有很大的结电容,影响IG B T 的开关速度,所以并联稳压二极管的方法在IG B T 高速工作时需要增大驱动电流.3 IG B T 的保护电路3.1 过压保护 IG B T 关断时的换相过电压,主要决定于主电路的杂散电感及关断时的d i /d t .在正常工作时d i /d t 较低,通常不会造成IG B T 损坏,但在过流故障状态时,d i /d t 会迅速增大产生较高的过电压,所以应尽量减小主电路布线杂散电感,以减小因d i /d t 过大产生的过电压.可以采取的措施有:直流环节的滤波电容应靠近IG B T 模块,滤波电容至IG B T 模块的正负极连线尽量靠近;采用RCD 电路吸收过电压尖峰,而且电容和电阻均应采用无感电容和无感电阻,吸收二极管D 应为快速恢复器件,吸收电路直接连接到IG B T 的相应端子上.3.2 过电流保护当过电流小于工作电流的2倍时,可采用瞬时封锁栅极脉冲的方法来实现保护.当过电流的倍数较高时,尤其是发生负载短路故障时,加瞬时封锁栅极脉冲会使d i /d t 很大,在回路杂散电感上感应出较高的尖峰电压,RCD 吸收电路很难彻底吸收此尖峰电压.为此,在保护中应采取软关断措施使栅极电压在2～5μs 降至零电压,目前常用的IG B T 驱动模块内部均具有此过流软关断功能.482 上海理工大学学报2004年第26卷 4 驱动电路4.1 分立元件构成的驱动电路 图3是由分立元件构成的IG B T 驱动电路.光耦采用小延时高速型光耦,T 1和T 2组成图腾结构的对管(T 1、T 2选用三级管的放大倍数β>100的开关管),D Z1选用5V/1W 的稳压管.当输入信号到来时,T 2截止,T 1导通,对IG B T 施加+12V 栅极电压;当输入信号消失时,T 1截止,T 2导通,5V 稳压管为IG B T 提供反向关断电压;稳压二极管D Z2、D Z3的作用是限制加在IG B T 栅射间的电压,避免过高的栅射电压击穿栅极.此电路结构简单,可用于驱动小功率变换器中的IG BT.图3 IG B T 驱动电路Fig.3Drive circuit of IG B T4.2 驱动模块电路目前生产IG B T 的几个主要厂家都开发了与之配套的驱动模块电路.如富士的EX B 系列、东芝的T K 系列、莫托罗拉的MPD 系列和惠普HCPL 系列等.这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定和故障信号输出的功能.应用这类模块可提高产品的可靠性能.图4是EX B841模块驱动IG B T 的应用电路[3].EX B841是日本富士公司设计的可驱动高达400A/600V 和300A/1200V 的IG B T ,最高工作频率为40kHz.内装用于高隔离电压的光耦合器,采用+20V 直流单电源供电,可产生+15V 开栅电压和-5V 关栅电压,内部装有过流检测电路和软关断电路,过流检测电路可按驱动信号与集电极电压之间的关系检测过流,当IG B T 的电流超过设定值时,软关断电路低速切断电路,保护IG B T 不被损坏.在图4中,端脚6用于监测集电极电压,从图2a 可知,当U GE 不变,通态电压U CE 随集电极电流增大而增高,所以可用检测U CE 作为过流的判断信号,当IG B T 的U CE 过高(一般达7V )时则出现过流信号,此信号经过流检测电路10μs 检查(IG B T 能抵抗10μs 短路电流),滤除其中的干扰信号,确定为过流时,端脚5信号由高电平变为低电平,光耦TL P521工作,发出过流保护输出,封锁驱动输入信号,切断IG B T.此电路在作者研制的3kW 磁阻电机调速系统中应用效果良好.图4 EX B841驱动模块应用电路Fig.4 Applied circuit of EX B841drive mode5 结束语本文介绍了IG B T 的结构和电气特性,讨论了设计IG B T 驱动电路的要求和注意事项,分析了正确选取栅极驱动电压的范围,d i /d t 对栅压的影响和应采取的措施,给出了典型驱动电路,对正确使用IG B T 具有一定的参考价值.参考文献:[1] 张立.现代电力电子技术基础[M ].北京:高等教育出版社,2000.[2] 何希才.现代电力电子技术[M ].北京:国防工业出版社,1996.[3] 郝润科,刘贵卿.开关磁阻电动机开关元件的选择与研究[J ].太原工业大学学报,1997,28(3):27～30.582 第3期郝润科等:绝缘栅双极型晶体管(IG B T )驱动及保护电路的研究 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。