带反向阻断型IGBT的特性优化

带反向阻断型IGBT的几何结构及工作模式基本上类似于NPT型IGBT，但在NPT型IGBT结构的基础上，P⁺集电极被芯片边缘从顶部到底部的分散隔离叠起来，这可以降低P⁺-N^-连接处的反向阻断电压，此时集电极已变成负压。不采用这种结构，连接处由于没有阻断场的作用将会击穿芯片边缘，这也是标准IGBT禁止接到反向电压的原因。

反向阻断型IGBT IXRH50N100采用TO-247封装，额定阻断电压V_CES=1000V，集电极电流在温度T_j=90℃时，I_C=40A。饱和电压和集电极电流曲线如图2-21所示，从图2-21中可以看到，在微小的电流情况下饱和电压具有正温度系数，这对并联使用IGBT是有益的。此外，反向阻断型IGBT的饱和电压比用标准IGBT串一个二极管达到反向阻断功能时的饱和压降低的多。应用于硬开关斩波电路中的IGBT关断电压波形如图2-22所示。可以看出，当开通或关断一个正的集电极-发射极电压，反向阻断IGBT的工作特点和NPT型IGBT的实际上是对应的，这可以从半导体自身物理性质得出。

图2-20 输出特性比较

图2-21 饱和电压和集电极电流曲线

图2-22 硬开关斩波电路中的IGBT关断电压波形(www.xing528.com)

反向特性应分两种不同工作条件，图2-23所示为一个类似图2-22所示的斩波电路，但二极管已被反向阻断IGBT（V1）代替了。当给V1的栅极加一个V_GE=15V的正电压时，V1导通，产生一个正的集电极电流I_C＞0和一个正的集电极-发射极电压V_CE＞0，在电感L中有电流流过，开关管V2关断。当V2开通时，通过加在其两端的反向电压V_CE=-V_Z＜0使V1阻断。反向阻断IGBT可以被看成某种可控二极管，其实这个二极管是集成在芯片内部的，如果是软关断，二极管的反向恢复波形会很平滑，几乎没有过冲电压。其关断速度比那些电源整流桥上的二极管快，但还是低于快恢复型二极管。

图2-23 改进的硬开关斩波电路中的 IGBT关断电压波形斩波电路

图2-24所示为用两个反向阻断型IG-BT反向并联，可以组成一个双向开关，流过LC振荡器的电流是由双向开关管来控制的。初始时，电容C被充电至正电压V_C＞0，电感电流I_L=0，晶体管V1栅极电压V_GE1=0，V1关断。如图2-24所示的波形，在t=100μs时，开通V1，这产生了一个半波形正弦电流，同时改变了电容两端电压的极性，使电容电压波形近似于一个余弦波形，由于电路中存在损耗，其幅值会有所减小。当加在V1两端的电压V_T=V_C＜0时，会阻断电流，直到t=380μs左右时开通V2，关断V1。可以看出在谐振开关条件下，二极管实际上并没有出现反向恢复引起的电流尖峰。

图2-24 两个反向阻断型IGBT反向并联关断波形

反向阻断型IGBT的特性是特别重要的，传统电流源逆变器和矩阵变换器的开关频率选择时应该考虑在某种程度上需要调和的矛盾因素，高频可以减小滤波器的体积，然而半导体开关管的一些工作模式包括反向硬关断，是通过在集电极-发射极之间加一个负电压实现的，对应的反向恢复电流尖峰会导致能量损耗，因此需要选择合适的开关频率来限制能量损耗。由于反向阻断型IGBT的饱和电压比传统IGBT的饱和电压及串联独立二极管的正向导通电压的和还小，所以它的导通损耗小，因此反向阻断型IGBT可以代替一个传统IGBT和一个独立的二极管组成的串联结构，这样提高了功率密度，减少导通损耗。这个新结构对用于设计谐振变换器、电流源逆变器、矩阵变换器和其他需要双向开关的拓扑结构都是非常适用的。