大功率IGBT功耗的研究

王瑞

（宝鸡文理学院 物理与信息技术系，陕西 宝鸡 721013）

大功率IGBT功耗的研究

王瑞

（宝鸡文理学院 物理与信息技术系，陕西 宝鸡 721013）

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是复合全控型电压驱动式功率半导体器件。为了改善其功耗性能并进行进一步优化，论文在阐述IGBT特性基础上，通过从器件构成和实际应用角度对影响功率器件功耗的主要因素进行分析，并结合实践对IGBT功率器件的功耗进行深入研究，由此可以更深刻地理解IGBT功耗的产生，这对正确选择和使用IGBT器件及其系统有一定的实用价值。

IGBT；功率损耗；结构；特性；输入电阻

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。在超高电压电力传输、新能源的开发利用、变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域获得广泛应用，但所有电力电子器件在实际应用中最受关注的就是它的功耗，IGBT也不例外[1]。器件的功率损耗不仅对产品的结构设计至关重要，而且对其在实际应用中的选择和使用也是举足轻重，那么要提高器件的工作效率和实际应用效果的一个重要过程就是降低器件的功率损耗，同时降低器件的功率损耗也是国际上电力电子器件研究的一个热点。论文是在阐述IGBT结构和特性基础上，对功率器件IGBT的静态功耗和动态功耗进行研究探讨，并从不同角度出发对影响功率器件IGBT功耗的几个主要因素进行分析研究。

1 IGBT结构及特性分析

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[2]。图1是IGBT的基本结构，是以功率MOSFET为基础的。其纵向结构为PNPN型结构，类似于MOS晶闸管，也相当于一个VDMOS与PN结二极管串联；横向结构与VDMOS结构没有区别，电流也是垂直方向流动的[3-4]。

图1 IGBT的基本结构Fig.1 Basic structure of IGBT

该器件有3个引出电极，衬底P+接正电位，称IGBT器件的阳极或集电极C，也是PNP晶体管的发射极；表面N+接触电极通常接负或零电位，称IGBT器件的阴极或发射极E，也是NPN晶体管的集电极；通过栅介质引出的电极为IGBT的栅极G。内部有3个PN结：P+N-结、N-P结和PN+结，分别用J1、J2及 J3来表示。

图2所示是标明MOS场效应管和双极管部分的IGBT剖面图。可以看出：IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，它们以达林顿结构复合，其中GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件。作为电压控制型器件，IGBT的开启与MOS器件相同，其开通和关断是由栅极电压来控制的，导通过程非常迅速。

图2 标明MOSFET和PNP晶体管部分的IGBT剖面图Fig.2 IGBT profile marked MOSFET and PNP transistor part

当栅极加正向电压并且大于开启电压VGE（th）时，MOSFET内形成导电沟道，且MOS晶体管给PNP晶体管提供基极电流，使PNP晶体管导通，从而使IGBT导通。由于电导调制效应，使得电阻R减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降；反之，加反向栅极电压时消除导电电沟道，流过反向基极电流，MOS管夹断，即PNP管基极开路，使IGBT关断。IGBT可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。

IGBT的动态特性主要描述其开关开通、关断时的瞬态过程，IGBT的开关瞬态特性如图3所示。电力电子电路中IGBT主要用作开关器件，其开关速度是由开通、关断时间决定的，同时这个时间也决定了器件的开关损耗。一般地，功率器件的开通、关断瞬态过程与其结构有关，IGBT开通瞬态特性主要由内部等效MOSFET的结构决定。

图3 IGBT的开关瞬态特性Fig.3 The transient switching characteristics of IGBT

2 IGBT功耗理论及其影响因素

2.1 IGBT功耗理论

功率半导体器件大多数工作于开关状态，在开、关过程和导通、关断状态都有功耗产生。IGBT器件的功率损耗包括静态功耗和动态功耗[5]。静态功耗指的是在IGBT处于静态下发生的功耗，包括通态功耗和关态功耗。动态功耗由开通功耗和关断功耗组成。

IGBT为电压型驱动器件，在关断状态时电流几乎为零，故关态功耗为零。所以IGBT的总功耗P是由通态功耗Pf和开关（开和关瞬时）功耗组成的。 通态功耗为IGBT开通后在饱和条件下的电压有效值Uon和电流路径上的有效值Ion的乘积。

开关功耗Ps取决于IGBT的开关特性,主要由器件开关时间的长短及开关过程中器件电流、电压的大小所决定[6]。其开、关功耗分别为

式（2）、（3）中，Pson为开通瞬时功耗，Psoff为关断瞬时功耗，u、i分别表示IGBT集电极—发射极电压瞬时值及集电极电流瞬时值，ton、toff分别表示 IGBT器件开通及关断所用的时间。所以

2.2 IGBT功率损耗的影响因素

器件的功耗是决定开关电路效率的重要因素。IGBT器件功耗优化就是将静态和动态过程中的功率损耗都降到最小，最终得到功率损耗最低的IGBT器件[6]。根据计算静态功耗的式子可知，要降低静态功耗就是要降低通态压降，而通态压降是受器件结构参数影响的。比如，图1中集电极P+的掺杂浓度：增加P+的掺杂浓度可以降低电阻率，减小寄生电阻，从而减小IGBT的通态压降；但这种增大集电极P+的掺杂浓度，IGBT器件的正向饱和压降降低的情况，不可能是无止境的。其次N+缓冲层的浓度：浓度增大，阻断特性的宽度减小，但又使IGBT器件的通态压降增大，这是一个相互矛盾、相互制约的关系；还有N基区载流子寿命：影响N基区电导调制效应，电导调制效应好便可以有效的降低通态压降。根据计算动态功耗的式子可知，要降低动态功耗主要考虑的是开通、关断瞬时器件IGBT集电极电流、集射间的电压以及IGBT的开通、关断时间这4个量。对于开关器件IGBT而言，由于拖尾电流使关断过程的时间要比开通过程的时间长，所以主要考虑关断功耗[6]。P+集电极掺杂浓度越高，在关断时电流下降的速度就变得越慢，关断功耗就越大。还有N+缓冲层浓度增加，关断时电流下降速度快，关断功耗降低。

3 实际应用中IGBT功耗讨论

上节是从功率器件内部结构角度来讨论影响IGBT功耗因素的。一旦一个或一系列IGBT器件生产出来，它的结构就已经确定了，那在实际应用中影响IGBT功耗的也有一些因素。比如，应用中所测的IGBT实际开关功耗比参数值增大，其原因可能是所选的栅极电阻值过大，导致功耗过大，那解决的办法就是减小栅极电阻值。使用时的关断栅极电阻值过小，导致di/dt更大，会有过大的IGBT电压尖峰，所以要取得好的IGBT使用效果[7]，栅极电阻值选择时要进行折衷。栅极电阻需要选择具有非谐振、高精度、温度系数小、稳定性好等特点的电阻。一般而言，栅极电阻值可取IGBT数据表中所列的最小值到大约两倍于最小值之间的数值。

实际的IGBT产品，型号和系列不同，其结构也略有差异。对于内置有FWD（Free Wheeling Diode，继流二极管）的IGBT，其总功耗应该是IGBT功耗和FWD二极管的功耗之和，而两者的功耗均可以分为静态功耗与动态损耗。另外，需要注意动态功耗包括开通功耗与关断功耗，继流二极管的开通功耗是

其中fW是IGBT开关频率，Erec是继流能量 （参数表提供），IF是实际工作电流，Inom是标称电流。继流二极管的导通功耗是

其中VF是导通压降（参数表提供），D是平均占空比。一般IGBT数据表会提供其相应的开通功耗和关断功耗的。

4 结论

半导体器件是电力电子技术的基础，IGBT器件的诞生使整个电力电子面貌发生巨大改观。但在器件发展、应用过程中，总是有些许问题出现并要去解决。论文首先阐述了IGBT结构特性，随后IGBT功耗理论进行了详尽地叙述，并从器件构成角度和实际应用角度对影响功率器件功耗的主要因素进行了深入分析研究。由此可以更深刻地理解IGBT功耗的产生，这对正确选择和使用IGBT器件及其系统有一定的实用价值。

[1]王烨,常喜茂，姜栋栋,等.关于IGBT模块损耗的研究[J]，仪器仪表与分析监测.2011（3）：35-36.

WANG Ye,CHANG Xi-mao,JIANG Dong-dong,et al.Research about the loss on the IGBT module[J].Instrumentation.Analysis.Monitoring,2011（3）：35-36.

[2]蒋超，陈海民.电力电子器件概况及应用现状[J].世界电子元器件,2004(4):74-76.

JIANG Chao,CHEN Hai-min.The development and application of power electronic components[J].Global Electronics China,2004(4):74-76.

[3]吴滔.绝缘栅双极晶体管（IGBT）的研究与设计[D].浙江:浙江大学.2005.

[4]刘树林,张华曹,柴常春.半导体器件物理[M].北京:电子工业出版社,2005.

[5]邓夷,赵争鸣,袁立强.适用于复杂电路分析的IGBT模型[J].中国电机工程学报，2010，30（9）：1-7.

DENG Yi,ZHAO Zheng-ming,YUAN Li-qiang.IGBT model for analysis of complicated circuits[J].Proceedings of the CSEE，2010，30（9）：1-7.

[6]凌宇.IGBT功耗优化的研究 [D].沈阳:沈阳工业大学.2013.

[7]阳鸿钧，许小菊，欧小宝.最新常用IGBT速查[M].北京:机械工业出版社，2010.

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 稿件编号：201402107

王 瑞（1974—），女，陕西宝鸡人，硕士，讲师。研究方向：电子功率器件。