大功率IGBT功耗的研究

王瑞

（寶雞文理學(xué)院 物理與信息技術(shù)系，陜西 寶雞 721013）

大功率IGBT功耗的研究

王瑞

（寶雞文理學(xué)院 物理與信息技術(shù)系，陜西 寶雞 721013）

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。為了改善其功耗性能并進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，論文在闡述IGBT特性基礎(chǔ)上，通過(guò)從器件構(gòu)成和實(shí)際應(yīng)用角度對(duì)影響功率器件功耗的主要因素進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)踐對(duì)IGBT功率器件的功耗進(jìn)行深入研究，由此可以更深刻地理解IGBT功耗的產(chǎn)生，這對(duì)正確選擇和使用IGBT器件及其系統(tǒng)有一定的實(shí)用價(jià)值。

IGBT；功率損耗；結(jié)構(gòu)；特性；輸入電阻

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)。在超高電壓電力傳輸、新能源的開(kāi)發(fā)利用、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)域獲得廣泛應(yīng)用，但所有電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中最受關(guān)注的就是它的功耗，IGBT也不例外[1]。器件的功率損耗不僅對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，而且對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的選擇和使用也是舉足輕重，那么要提高器件的工作效率和實(shí)際應(yīng)用效果的一個(gè)重要過(guò)程就是降低器件的功率損耗，同時(shí)降低器件的功率損耗也是國(guó)際上電力電子器件研究的一個(gè)熱點(diǎn)。論文是在闡述IGBT結(jié)構(gòu)和特性基礎(chǔ)上，對(duì)功率器件IGBT的靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗進(jìn)行研究探討，并從不同角度出發(fā)對(duì)影響功率器件IGBT功耗的幾個(gè)主要因素進(jìn)行分析研究。

1 IGBT結(jié)構(gòu)及特性分析

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[2]。圖1是IGBT的基本結(jié)構(gòu)，是以功率MOSFET為基礎(chǔ)的。其縱向結(jié)構(gòu)為PNPN型結(jié)構(gòu)，類似于MOS晶閘管，也相當(dāng)于一個(gè)VDMOS與PN結(jié)二極管串聯(lián)；橫向結(jié)構(gòu)與VDMOS結(jié)構(gòu)沒(méi)有區(qū)別，電流也是垂直方向流動(dòng)的[3-4]。

圖1 IGBT的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of IGBT

該器件有3個(gè)引出電極，襯底P+接正電位，稱IGBT器件的陽(yáng)極或集電極C，也是PNP晶體管的發(fā)射極；表面N+接觸電極通常接負(fù)或零電位，稱IGBT器件的陰極或發(fā)射極E，也是NPN晶體管的集電極；通過(guò)柵介質(zhì)引出的電極為IGBT的柵極G。內(nèi)部有3個(gè)PN結(jié)：P+N-結(jié)、N-P結(jié)和PN+結(jié)，分別用J1、J2及 J3來(lái)表示。

圖2所示是標(biāo)明MOS場(chǎng)效應(yīng)管和雙極管部分的IGBT剖面圖。可以看出：IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR，它們以達(dá)林頓結(jié)構(gòu)復(fù)合，其中GTR為主導(dǎo)元件，MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件。作為電壓控制型器件，IGBT的開(kāi)啟與MOS器件相同，其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的，導(dǎo)通過(guò)程非常迅速。

圖2 標(biāo)明MOSFET和PNP晶體管部分的IGBT剖面圖Fig.2 IGBT profile marked MOSFET and PNP transistor part

當(dāng)柵極加正向電壓并且大于開(kāi)啟電壓VGE（th）時(shí)，MOSFET內(nèi)形成導(dǎo)電溝道，且MOS晶體管給PNP晶體管提供基極電流，使PNP晶體管導(dǎo)通，從而使IGBT導(dǎo)通。由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得電阻R減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降；反之，加反向柵極電壓時(shí)消除導(dǎo)電電溝道，流過(guò)反向基極電流，MOS管夾斷，即PNP管基極開(kāi)路，使IGBT關(guān)斷。IGBT可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用。

IGBT的動(dòng)態(tài)特性主要描述其開(kāi)關(guān)開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程，IGBT的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)特性如圖3所示。電力電子電路中IGBT主要用作開(kāi)關(guān)器件，其開(kāi)關(guān)速度是由開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間決定的，同時(shí)這個(gè)時(shí)間也決定了器件的開(kāi)關(guān)損耗。一般地，功率器件的開(kāi)通、關(guān)斷瞬態(tài)過(guò)程與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，IGBT開(kāi)通瞬態(tài)特性主要由內(nèi)部等效MOSFET的結(jié)構(gòu)決定。

圖3 IGBT的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)特性Fig.3 The transient switching characteristics of IGBT

2 IGBT功耗理論及其影響因素

2.1 IGBT功耗理論

功率半導(dǎo)體器件大多數(shù)工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在開(kāi)、關(guān)過(guò)程和導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)都有功耗產(chǎn)生。IGBT器件的功率損耗包括靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗[5]。靜態(tài)功耗指的是在IGBT處于靜態(tài)下發(fā)生的功耗，包括通態(tài)功耗和關(guān)態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗由開(kāi)通功耗和關(guān)斷功耗組成。

IGBT為電壓型驅(qū)動(dòng)器件，在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)電流幾乎為零，故關(guān)態(tài)功耗為零。所以IGBT的總功耗P是由通態(tài)功耗Pf和開(kāi)關(guān)（開(kāi)和關(guān)瞬時(shí)）功耗組成的。 通態(tài)功耗為IGBT開(kāi)通后在飽和條件下的電壓有效值Uon和電流路徑上的有效值Ion的乘積。

開(kāi)關(guān)功耗Ps取決于IGBT的開(kāi)關(guān)特性,主要由器件開(kāi)關(guān)時(shí)間的長(zhǎng)短及開(kāi)關(guān)過(guò)程中器件電流、電壓的大小所決定[6]。其開(kāi)、關(guān)功耗分別為

式（2）、（3）中，Pson為開(kāi)通瞬時(shí)功耗，Psoff為關(guān)斷瞬時(shí)功耗，u、i分別表示IGBT集電極—發(fā)射極電壓瞬時(shí)值及集電極電流瞬時(shí)值，ton、toff分別表示 IGBT器件開(kāi)通及關(guān)斷所用的時(shí)間。所以

2.2 IGBT功率損耗的影響因素

器件的功耗是決定開(kāi)關(guān)電路效率的重要因素。IGBT器件功耗優(yōu)化就是將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程中的功率損耗都降到最小，最終得到功率損耗最低的IGBT器件[6]。根據(jù)計(jì)算靜態(tài)功耗的式子可知，要降低靜態(tài)功耗就是要降低通態(tài)壓降，而通態(tài)壓降是受器件結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的。比如，圖1中集電極P+的摻雜濃度：增加P+的摻雜濃度可以降低電阻率，減小寄生電阻，從而減小IGBT的通態(tài)壓降；但這種增大集電極P+的摻雜濃度，IGBT器件的正向飽和壓降降低的情況，不可能是無(wú)止境的。其次N+緩沖層的濃度：濃度增大，阻斷特性的寬度減小，但又使IGBT器件的通態(tài)壓降增大，這是一個(gè)相互矛盾、相互制約的關(guān)系；還有N基區(qū)載流子壽命：影響N基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)好便可以有效的降低通態(tài)壓降。根據(jù)計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗的式子可知，要降低動(dòng)態(tài)功耗主要考慮的是開(kāi)通、關(guān)斷瞬時(shí)器件IGBT集電極電流、集射間的電壓以及IGBT的開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間這4個(gè)量。對(duì)于開(kāi)關(guān)器件IGBT而言，由于拖尾電流使關(guān)斷過(guò)程的時(shí)間要比開(kāi)通過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng)，所以主要考慮關(guān)斷功耗[6]。P+集電極摻雜濃度越高，在關(guān)斷時(shí)電流下降的速度就變得越慢，關(guān)斷功耗就越大。還有N+緩沖層濃度增加，關(guān)斷時(shí)電流下降速度快，關(guān)斷功耗降低。

3 實(shí)際應(yīng)用中IGBT功耗討論

上節(jié)是從功率器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)角度來(lái)討論影響IGBT功耗因素的。一旦一個(gè)或一系列IGBT器件生產(chǎn)出來(lái)，它的結(jié)構(gòu)就已經(jīng)確定了，那在實(shí)際應(yīng)用中影響IGBT功耗的也有一些因素。比如，應(yīng)用中所測(cè)的IGBT實(shí)際開(kāi)關(guān)功耗比參數(shù)值增大，其原因可能是所選的柵極電阻值過(guò)大，導(dǎo)致功耗過(guò)大，那解決的辦法就是減小柵極電阻值。使用時(shí)的關(guān)斷柵極電阻值過(guò)小，導(dǎo)致di/dt更大，會(huì)有過(guò)大的IGBT電壓尖峰，所以要取得好的IGBT使用效果[7]，柵極電阻值選擇時(shí)要進(jìn)行折衷。柵極電阻需要選擇具有非諧振、高精度、溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)的電阻。一般而言，柵極電阻值可取IGBT數(shù)據(jù)表中所列的最小值到大約兩倍于最小值之間的數(shù)值。

實(shí)際的IGBT產(chǎn)品，型號(hào)和系列不同，其結(jié)構(gòu)也略有差異。對(duì)于內(nèi)置有FWD（Free Wheeling Diode，繼流二極管）的IGBT，其總功耗應(yīng)該是IGBT功耗和FWD二極管的功耗之和，而兩者的功耗均可以分為靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)損耗。另外，需要注意動(dòng)態(tài)功耗包括開(kāi)通功耗與關(guān)斷功耗，繼流二極管的開(kāi)通功耗是

其中fW是IGBT開(kāi)關(guān)頻率，Erec是繼流能量 （參數(shù)表提供），IF是實(shí)際工作電流，Inom是標(biāo)稱電流。繼流二極管的導(dǎo)通功耗是

其中VF是導(dǎo)通壓降（參數(shù)表提供），D是平均占空比。一般IGBT數(shù)據(jù)表會(huì)提供其相應(yīng)的開(kāi)通功耗和關(guān)斷功耗的。

4 結(jié)論

半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，IGBT器件的誕生使整個(gè)電力電子面貌發(fā)生巨大改觀。但在器件發(fā)展、應(yīng)用過(guò)程中，總是有些許問(wèn)題出現(xiàn)并要去解決。論文首先闡述了IGBT結(jié)構(gòu)特性，隨后IGBT功耗理論進(jìn)行了詳盡地?cái)⑹觯钠骷?gòu)成角度和實(shí)際應(yīng)用角度對(duì)影響功率器件功耗的主要因素進(jìn)行了深入分析研究。由此可以更深刻地理解IGBT功耗的產(chǎn)生，這對(duì)正確選擇和使用IGBT器件及其系統(tǒng)有一定的實(shí)用價(jià)值。

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Research on high power IGBT power consumption

WANG Rui
（Department of Physics&Information Technology,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721013,China）

Insulated gate bipolar transistor(IGBT)is a composite of full controlled voltage driven type power semiconductor devices.In order to improve the power performance and further optimization,in this paper,based on the IGBT characteristics,the main factors affecting the power loss analyzed and researched from the device structure and the practical application,and the power dissipation of IGBT is investigated from a practical point of view.It can be more profound understanding of IGBT power generation,it has certain practical value for the IGBT devices and systems to correct selection and use.

IGBT;power consumption;structure;characteristic;input resistance

TN386.2

A

1674-6236（2014）17-082-03

2014-02-20 稿件編號(hào)：201402107

王 瑞（1974—），女，陜西寶雞人，碩士，講師。研究方向：電子功率器件。