IGBT的发展与应用（2）

3.第四代IGBT的基本特点

3.1.沟槽（Trench）结构

同各种电力半导体器件一样，IGBT器件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。它的导通电流由两部分组成；MOS分量I_MOS和晶闸管分量I_SCR，为防止锁定（Latch-up）效应，其MOS分量必须占主导。其流通途径中不可避免地存在一个位于栅极下方、夹在P型基区中间的结型场效应晶体管（JFET）的电阻R_JFET，它成为提高频率特性而缩小通态压降的障碍。第四代IGBT采用特殊的工艺制成沟槽结构，挖掉了这个R_JFET，把MOS沟道移到垂直于硅片表面的位置，元胞尺寸可减少到20%。于是，硅片利用率提高了，通态压降减小了，也为其频率参数的改善创造了新的可能性。

3.2.IGBT高压化

1993年，德国EUPEC公司（欧洲电力电子公司）出现了3200V/1300A的IGBT模块，但它是用多个IGBT芯片串联加并联组成的。只能说是高压化发展的一种尝试。人们曾认为IGBT耐压不会突破2000V，是因为1200V以下的IGBT都是用高阻外延硅片制成的，电压要达到1500V，外延厚度就要超过180微米，几乎是不能实用化的。

1996年，日本东芝公司推出了2500V/1000A的IGBT，具有同大功率晶闸管、GTO管相同的平板压接式封装结构。它突破了外延片的制约，采用（110）晶面的高阻单晶硅片制造，需用的硅片厚度超过300微米，有了足够机械强度。

1998年，耐压4500V的单管IGBT已经开发出来，但是，要想单管大电流IGBT是不可能的。IGBT的制造过程中要做十几次精细的光刻套刻，经过相应次数的高温加工，图形大到一定程度，合格率会急剧下降，甚至为零。所以，制造大功率IGBT，要做到不串联是有希望的，而必然是要并联的。

东芝公司生产的2500V/1000AIGBT而言，它是由24个2500V/80A的IGBT芯片并联而成的，还有16个2500V/100A的超快恢复二极管（FRED）芯片与之反并联（续流二极管）。实现单串多并结构是IGBT走向大功率化的必由之路。

采用NPT结构是IGBT自如并联的必要条件

在制造电力电子器件时，最早是采用NPT（非穿通）结构，以P⁺n^-结二极管为例，它采用一定的电阻率ρ2，

3.3.霹雳（Thunderbolt）型IGBT的问世

一段时间以来IGBT的工作频率被限制在20KHz以下，在采用软开关拓扑的电路中最多可工作到50KHz以下，许多开关电源用到更高的频率，基本是功率MOS场效应管的天下。1998年在第四代技术的基础上，美国IR公司（WARP系列）和APT公司（GT系列）开发了命名为霹雳型IGBT的新器件，由两维集成转向三维集成。其额定电压达到600V，额定电流为0—100A。其硬开关工作频率可达150KHz，谐振逆变软开关电路中可达300KHz。它的开关特性已接近功率MOSFET，而电流密度则为MOSFET的2.5倍，即相同电流时它的硅片面积大大减小，故成本有所降低。

3.4.逆导型IGBT和双向IGBT在研制中

这是适应不同应用线路的需要而开展研制的IGBT派生器件。

4.IGBT模块使用中应注意的问题

IGBT的结构与MOSFET类似，从等效电路和工作机理来说，可以认为IGBT是MOS输入的达林顿晶体管，其输入级是MOSFET，输出级是PNP晶体管。IGBT模块的使用应特别注意以下几方面的问题。

4.1.防止静电对策：IGBT的VGE的保证值为±20V，在IGBT模块上加上了超出保证值的电压场合，由于会导致损坏的危险，因而在栅极-发射极之间接一只10KQ左右的电阻为宜。

4.2.驱动电路设计：严格地说，能否充分利用IGBT器件的性能，关键取决于驱动电路的设计。IGBT驱动电路必须能提供适当的正向栅压、足够的反向栅压、足够的输入输出电隔离能力以及具有栅压限幅电路等。

4.3.保护电路的设计：IGBT模块，因过电流、过电压等异常现象，有可能使其损坏。因此，必须在对器件的特性充分了解的情况下，设计出与器件特性相匹配的过电压、过电流、过热等保护电路。

4.4.散热设计：取决于IGBT模块所允许的最高结温（Tj）,在该温度下，首先要计算出器件产生的损耗，该损耗使结温升至允许值以下来选择散热片。在散热设计不充分场合，实际运行在中等水平时，也有可能超过器件允许温度而导致器件损坏。

4.5.栅极串联电阻（Rc）：对IGBT来说，增大栅极电阻能够减少IGBT开通时续流二极管的反向恢复过电压，减少通态下出现短路的冲击电流值；与此同时，增大栅极电阻的结果将使开通关断损耗增加，延长开通和关断时间。因此最好的办法是配置两个串联电阻，即R_G（on）和R_G（off），在实际设计时应考虑具体的应用要求。如在高压二极管的情况下，恢复时间趋长，R_G（on）应比产品目录的推荐值大2—4倍。

新型大功率IGBT模块-电子注入增强栅晶体管IEGT（Injection Enhanced Gate Trangistor）

近年来，日本东芝开发了IEGT，其与IGBT一样，它也平面栅和沟槽两种结构，前者已研制成功产品即将问世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的优点：低的饱和压降、宽的安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的1/10左右），低的栅极驱动功率（比GTO低2个数量级），和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性。与IGBT相比，IEGT结构的主要特点是栅极长度Lg较长，n长基区近栅极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入n长基区的空穴，难以象在IGBT中那样，顺利地横向通过p区流入发射极，而是在该区域形成一层空穴积累层。为了保持该区域的电中性，发射极必须通过n沟道向n长基区注入大量的电子。这样就使n长基区发射极侧也形成了高浓度载流子积累，在n基区中形成与GTO中类似的载流子分布，从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达4.5KV/1000A水平。