摘 要：介紹中壓大功率整流器件的發(fā)展和主流結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析IGBT器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和最新發(fā)展動(dòng)向，討論IGBT器件應(yīng)用中應(yīng)注意的具體技術(shù)問題。 1概述 電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）、絕緣柵晶體管（IGBT）等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)、低損耗、模塊化、復(fù)合化方向發(fā)展，與其他電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅(qū)動(dòng)簡單、保護(hù)容易、不用緩沖電路和開關(guān)頻率高等特點(diǎn)，為了達(dá)到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝技術(shù)，如外延技術(shù)、離子注入、精細(xì)光刻等。要提高功率MOSFET的耐壓能力，勢必增加高導(dǎo)通電阻，從而妨礙器件在高電壓、大電流范圍的應(yīng)用。針對這些缺陷，20世紀(jì)80年代誕生了功率IGBT（絕緣柵雙極晶體管）器件，20世紀(jì)90年代初進(jìn)入實(shí)用化。近幾年來，功率IGBT的性能提高很快，額定電流已達(dá)數(shù)百安培，耐壓達(dá)1500V以上，而且還在不斷提高。由于IGBT器件具有PIN二極管的正向特性，P溝功率IGBT的特性不比N溝IGBT差多少，這非常有利于在應(yīng)用中采取互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，從而擴(kuò)大其在交流和數(shù)字控制技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。 目前，應(yīng)用在中壓大功率領(lǐng)域的電力電子器件，已形成GTO、IGCT、OGBT、IEGT相互競爭不斷創(chuàng)新的技術(shù)市場，在大功率（1MW），低頻率（1kHz）的傳動(dòng)領(lǐng)域，如電力牽引機(jī)車領(lǐng)域GTO、IGCT有著獨(dú)特的優(yōu)勢，而在高載波頻率、高斬波頻率下,IGBT、IEGT有著廣闊的發(fā)展前景，在現(xiàn)階段中壓大功率變頻領(lǐng)域?qū)⒂蛇@4種電力電子器件構(gòu)成其主流器件。 IGBT最大的優(yōu)點(diǎn)是無論在導(dǎo)通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。它的并聯(lián)不成問題，由于本身的關(guān)斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊在大功率應(yīng)用中非常廣泛，但其有限的負(fù)載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問題，其主要失效機(jī)理是陰極引線焊點(diǎn)開路和焊點(diǎn)較低的疲勞強(qiáng)度，另外,絕緣材料的缺陷也是一個(gè)問題。 10年前，IGBT出現(xiàn)在世界技術(shù)舞臺(tái)的時(shí)候，盡管它凝聚了高電壓大電流晶閘管制造技術(shù)和大規(guī)模集成電路微細(xì)加工手段二者的精華，表現(xiàn)出很好的綜合性能，許多人仍難以相信這種器件在大功率領(lǐng)域中的生命力。現(xiàn)在，跨世紀(jì)的IGBT顯示了巨大的進(jìn)展，形成了一個(gè)新的器件應(yīng)用平臺(tái)。 2智能MOS柵IGBT模塊化 由于IGBT高頻性能的改進(jìn)，可將驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和故障診斷電路集成在一起，制成智能功率模塊，一般情況下采用電壓觸發(fā)。 通過采用大規(guī)模集成電路的精細(xì)制作工藝并對器件的少數(shù)載流子壽命進(jìn)行控制，新一代功率IGBT芯片已問世。第三代IGBT與第一代產(chǎn)品相比，在斷態(tài)下降時(shí)間及飽和電壓特性上均有較大的提高。 IGBT是雙極型晶體管（BJT）和MOSFET的復(fù)合器件，其將BJT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引入到VDMOS的高阻漂移區(qū)，大大改善了器件的導(dǎo)通性，同時(shí)它還具有MOSFET的柵極高輸入阻抗，為電壓驅(qū)動(dòng)器件。開通和關(guān)斷時(shí)均具有較寬的安全工作區(qū)，IGBT所能應(yīng)用的范圍基本上替代了傳統(tǒng)的晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）等器件。 2.1IGBT—PIM IGBT的模塊內(nèi)置整流模塊電路、逆變主回路和再生回路，以降低損耗和降低成本，這種新型模塊稱為功率集成模塊，簡稱PIM（PowerIntegratedModule）。IGBT模塊是一種高速開關(guān)，第四代IGBT在開發(fā)中主要采取如下幾項(xiàng)新技術(shù)。 （1）FWD（FreeWheelingDiode）技術(shù) 在模塊中選用降低正向電壓（VF）的二極管器件，據(jù)測試在600V和1200V系列中，逆變器載波頻率為10kHz時(shí)產(chǎn)生的損耗與舊系列相比降低20％。 （2）蝕刻模塊單元的微細(xì)化技術(shù) 由于控制極的寬度（LH）已達(dá)到最佳化設(shè)計(jì)，故集電—射極之間的飽和電壓VCE（SAT）可降低0.5V，使開關(guān)損耗降低。 （3）NPT（NonPunchThrough）技術(shù) 使載流子壽命得到控制，從而減少開關(guān)損耗對溫度的依存性。這樣，可減少長期使用過程中的開關(guān)損耗。 對于IGBT這類高速開關(guān)的要求無非是高速性和柔性恢復(fù)性。對于正向電壓VF和恢復(fù)損耗Err二者相比，在設(shè)計(jì)時(shí)寧可選擇較高的VF值。但當(dāng)選用高VF值在變頻器低頻工作時(shí)，將會(huì)使FWD的導(dǎo)通時(shí)間加長并使平均損耗增加，也使變頻器在低速高力矩時(shí)溫升提高。為此第四代IGBT特別注意到設(shè)計(jì)最佳的電極構(gòu)造，從而改善了VF、Err關(guān)系，使FWD的VF降低0.4V～0.5V，總損耗減少20％。 2.2P系列NPT—IGBT模塊的特點(diǎn) FUJIP系列IGBT采用NPT工藝制造，比PT（PunchThrough）IGBT有更多的優(yōu)越性，特別適用于變頻器、交流伺服系統(tǒng)、UPS、電焊電源等領(lǐng)域，其顯著特點(diǎn)如下： （1）電流額定值是在Tc=800℃時(shí)標(biāo)出的。 （2）P系列IGBT的VCE（SAT）與溫度成正比，易于并聯(lián)。 （3）開關(guān)損耗的溫度系數(shù)比PT-IGBT小，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，其開關(guān)損耗比PT-IGBT增加的少，因此P系列模塊更適合高頻應(yīng)用。 （4）1400V系列模塊可用于AC380V至575V的功率變換設(shè)備中。 （5）P系列中，尤其是1400V模塊比PT-IGBT有更大的安全工作區(qū)，反偏安全工作區(qū)（RBSOA）和短路安全工作區(qū)（SCSOA）都為矩形。其RBSOA可達(dá)額定電流的兩倍，SCSOA可達(dá)額定電流的十倍。因此，吸收電路可大大地簡化，同時(shí)，短路承受能力也大大提高。 （6）低損耗、軟開關(guān)，它的dv/dt只有普通模塊的1/2，大大降低了EMI噪聲。 目前，IGBT已發(fā)展到第四代；西門子/EUPEC已可提供電流從10A～2.4kA，電壓范圍為600V～3.3kV的IGBT模塊，以1.2kA/3.3kVIGBT為例，其柵極發(fā)射極電壓僅為15V，觸發(fā)功率低、關(guān)斷損耗小、di/dt.du/dt都得到有效的控制。 當(dāng)前高壓IGBT的研制和應(yīng)用水平為：600A～800A/6.5kV，工作頻率為18kHz～20kHZ，在工藝上，高壓IGBT開發(fā)主要采取以下措施:一是采用溝槽結(jié)構(gòu)，挖掉了位于柵極下方、夾在P型基區(qū)中間的結(jié)型場效應(yīng)晶體管的電阻，改善了減小通態(tài)壓降和提高頻率特性之間的矛盾；二是采用非穿通（NPT）結(jié)構(gòu)取代穿通（PT）結(jié)構(gòu)，因?yàn)镹PT結(jié)構(gòu)的IGBT芯片具有正電阻溫度系數(shù)、易于并聯(lián)，這是IGBT大功率化的必由之路；三是高壓IGBT作為高頻器件，電磁兼容問題值得重視，采用電感封裝技術(shù)可確保系統(tǒng)長期可靠的運(yùn)行，大容量高壓IGBT適合采用平板式封裝結(jié)構(gòu)。 3第四代IGBT的基本特點(diǎn) 3.1溝槽（Trench）結(jié)構(gòu) 同各種電力半導(dǎo)體一樣，IGBT向大功率化發(fā)展的內(nèi)部動(dòng)力也是減小通態(tài)壓降和增加開關(guān)速度（降低關(guān)斷時(shí)間）之間矛盾的折衷。在常規(guī)的一至二代IGBT中，其MOS溝道是平行于硅片表面的。它的導(dǎo)通電流由兩部分組成：MOS分量IMOS和晶閘管分量ISCR，為防止閂鎖（Latch-up）效應(yīng)，其MOS分量必須占主導(dǎo)。其流通途徑中不可避免地存在一個(gè)位于柵極下方、夾在P型基區(qū)中間的結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）的電阻RJFET，它成為提高頻率特性、縮小通態(tài)壓降的障礙。第四代IGBT采用特殊的工藝制成溝槽結(jié)構(gòu)，挖掉了RJFET，把MOS溝道移到垂直于硅片表面的位置，元胞尺寸可減少到20％。這樣可提高硅片利用率，減小通態(tài)壓降，也為其頻率參數(shù)的改善創(chuàng)造了新的可能性。 3.2IGBT高壓化 1993年，德國EUPEC公司（歐洲電力電子公司）推出3.2kV/1.3kA的IGBT模塊，但它是用多個(gè)IGBT芯片串聯(lián)加并聯(lián)組成的。只能說是高壓化發(fā)展的一種嘗試。人們曾認(rèn)為IGBT耐壓不會(huì)突破2kV，是因?yàn)?.2kV以下的IGBT都是用高阻外延硅片制成的，電壓要達(dá)到1.5kV，外延層厚度就要超過180μm，幾乎是不能實(shí)用化的。 1996年，日本東芝公司推出了2.5kV/1kA的IGBT，具有同大功率晶閘管、GTO管相同的平板壓接式封裝結(jié)構(gòu)。它突破了外延片的制約，采用（110）晶面的高阻單晶硅片制造，硅片厚度超過300μm，有了足夠的機(jī)械強(qiáng)度。 1998年，耐壓4.5kV的單管IGBT開發(fā)出來，但是，要想制作單管大電流IGBT是不可能的。在IGBT的制造過程中要做十幾次精細(xì)的光刻套刻，經(jīng)過相應(yīng)次數(shù)的高溫加工，圖形大到一定程度，合格率會(huì)急劇下降，甚至為零。所以，制造大功率IGBT，必然是要并聯(lián)的。 東芝公司生產(chǎn)的2.5kV/1kAIGBT，是由24個(gè)2.5kV/80A的IGBT芯片并聯(lián)而成的，還有16個(gè)2.5kV/100A的超快恢復(fù)二極管（FRED）芯片與之反并聯(lián)（續(xù)流二極管）。實(shí)現(xiàn)單串多并結(jié)構(gòu)是IGBT走向大功率化的必由之路。采用NPT結(jié)構(gòu)是IGBT自如并聯(lián)的必要條件。 3.3霹靂（Thunderbolt）型IGBT問世 一段時(shí)間以來，IGBT的工作頻率限制在20kHz以下，在采用軟開關(guān)拓?fù)涞碾娐分凶疃嗫晒ぷ鞯?0kHz以下，許多開關(guān)電源用到更高的頻率，基本是功率MOS場效應(yīng)管的天下。1998年在第四代技術(shù)的基礎(chǔ)上，美國IR公司（WARP系列）和APT公司（GT系列）開發(fā)了命名為霹靂型IGBT的新器件，由二維集成轉(zhuǎn)向三維集成。其額定電壓達(dá)到600V，額定電流為0～100A。其硬開關(guān)工作頻率可達(dá)150kHz，諧振逆變軟開關(guān)電路可達(dá)300kHz。它的開關(guān)特性已接近功率MOSFET，而電流密度則為MOSFET的2.5倍，即相同電流時(shí)它的硅片面積大大減小，故成本有所降低。 3.4逆導(dǎo)型IGBT和雙向IGBT 這是為適應(yīng)不同應(yīng)用線路的需要而研制的IGBT派生器件。 4使用IGBT模塊使用中應(yīng)注意的問題 IGBT的結(jié)構(gòu)與MOSFET類似，從等效電路和工作機(jī)理來說，可以認(rèn)為IGBT是MOS輸入的達(dá)林頓晶體管，其輸入級是MOSFET，輸出級是PNP晶體管。IGBT模塊的使用應(yīng)特別注意以下幾方面的問題。 4.1防靜電對策 IGBT的VGE保證值為±20V，在IGBT模塊上加上超出保證值的電壓有損壞的危險(xiǎn)，因而在柵極－發(fā)射極之間接一只10kQ左右的電阻器為宜。 4.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 嚴(yán)格地說，能否充分利用IGBT器件的性能，關(guān)鍵取決于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。IGBT驅(qū)動(dòng)電路必須能提供適當(dāng)?shù)恼驏艍?、足夠的反向柵壓、足夠的輸入輸出電隔離能力,以及具有柵壓限幅電路等。 4.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì) IGBT模塊因過電流、過電壓等異?，F(xiàn)象有可能損壞。因此，必須在對器件的特性充分了解的情況下，設(shè)計(jì)出與器件特性相匹配的過電壓、過電流、過熱等保護(hù)電路。 4.4散熱設(shè)計(jì) 取決于IGBT模塊所允許的最高結(jié)溫（Tj）,在該溫度下，首先要計(jì)算出器件產(chǎn)生的損耗，該損耗使結(jié)溫升至允許值以下來選擇散熱片。在散熱設(shè)計(jì)不充分的場合，實(shí)際運(yùn)行在中等水平時(shí)，也有可能超過器件允許溫度而導(dǎo)致器件損壞。 4.5柵極串聯(lián)電阻（Rc） 對IGBT來說，增大柵極電阻能夠減少IGBT開通時(shí)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)過電壓，減少通態(tài)下出現(xiàn)短路的沖擊電流值；與此同時(shí)，增大柵極電阻的結(jié)果將使開通關(guān)斷損耗增加，延長開通和關(guān)斷時(shí)間。因此最好的辦法是配置兩個(gè)串聯(lián)電阻器，即RG（on）和RG（off），在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮具體的應(yīng)用要求。如在高壓二極管的情況下，恢復(fù)時(shí)間趨長，RG（on）應(yīng)比產(chǎn)品目錄的推薦值大2倍～4倍。 5新型大功率IGBT模塊－電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor） 近年來，日本東芝公司開發(fā)了IEGT，其與IGBT一樣，它有平面柵和溝槽兩種結(jié)構(gòu)，前者已研制成功，產(chǎn)品即將問世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)：低的飽和壓降、寬的安全工作區(qū)（吸收回路容量僅為GTO的1/10左右），低的柵極驅(qū)動(dòng)功率（比GTO低2個(gè)數(shù)量級）和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可望有較高的可靠性。與IGBT相比，IEGT結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是柵極長度較長，n長基區(qū)近柵接極側(cè)的橫向電阻值較高，因此從集電極注入n長基區(qū)的空穴，難以象在IGBT中那樣，順利地橫向通過p區(qū)流入發(fā)射極，而是在該區(qū)域形成一層空穴積累層。為了保持該區(qū)域的電中性，發(fā)射極必須通過n溝道向n長基區(qū)注入大量的電子。這樣就使n長基區(qū)發(fā)射極側(cè)也形成了高濃度載流子積累，在n基區(qū)中形成與GTO中類似的載流子分布，從而較好地解決了大電流、高耐壓的矛盾。目前該器件已達(dá)到4.5kV/1kA的水平。