1200v低导通压降fs-igbt的设计

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1、万方数据东南大学工程硕士学位论文VI万方数据第一章绪论1．1课题背景与意义近年来，随着我国经济的持续和快速发展，能源消耗日趋紧张，能源节约是我国的基本国策之一。据报道，全球的电能消耗50％来自电力驱动机，目前，电力驱动机系统的发展方向已渐渐从强电控制为主的粗犷时代进入了弱电控制为主的节能时代，在该系统中，新型电力电子器件扮演着越来越重要的角色，它是机械自动化、控制智能化的关键性部件，也是节约电能的新型半导体器件。因此，大力发展我国新型电力电子器件的设计与制造是节约电能的重要手段。绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTra

2、nsistor,IGBT)作为新型电力电子器件的杰出代表，是整机系统提高性能指标和节能指标的首选半导体器件产品IlJ。它集高频率、高电压、大电流、大功率等优点于一身，广泛应用于光伏逆变器、低噪音电源、电动机变频调速、洗衣机、电磁炉、微波炉、高速铁路驱动系统等领域【2】，是国际上公认的电力电子技术第三次革命中最具代表性的标志性产品。IGBT器件自身的功率损耗主要来源于器件导通时的通态损耗和器件开启关断时的开关损耗，其中，器件导通时的通态损耗主要和IGBT器件的正向导通压降有关，越低的正向导通压降会带来越低的通态损耗，因此，如何降低IGBT器件的正

3、向导通压降一直是改善IGBT器件性能的一个重要方向。目前，国内1GBT器件市场主要为国外厂商所垄断，国内IGBT器件技术与国外还有一定差距，随着工业领域、电子消费领域的需求增加，中国IGBT器件市场未来几年将迅速增长。虽然国内已有部分企业研制出中等电压水平的IGBT器件，并己经试推向市场，但是，IGBT器件的导通压降过高、耐压不足等问题仍不禁考量，这也成为国产IGBT器件的通病。因此，大力发展IGBT器件产业、研制新型低导通压降IGBT器件结构刻不容缓。1．2国内外研究现状从20世纪80年代至今，IGBT器件己有三十多年的发展历史，随着时代的发

4、展，IGBT器件正朝着更低的正向导通压降、更小的开关损耗、更易于集成的方向发展，而IGBT器件的各种电学参数之间存在着多种折中关系，在结构设计时需要做到统筹兼顾，其中比较重要的有两个：一是正向导通压降和正向阻断电压之间的折中关系p】；二是正向导通压降和关断损耗之间的折中关系f4】。因此在降低IGBT器件正向导通压降的同时，还需要充分考虑器件关断损耗和正向阻断电压等电学参数的变化情况。从最初的非穿通型IGBT器件结构发展至今，围绕如何降低器件的正向导通压降这一研究热点，国内外已经提出了许多不同的IGBT器件结构，逐渐取得了较好的效果pJ。20世纪

5、80年代，最早提出的是非穿通IGBT(NPT-IGBT)器件16117J和穿通IGBT(PT-IGBT)万方数据东南大学工程硕士学位论文器件【8l【叭，如图1．1所示，这两种器件结构的特点是都是基于P型衬底的工艺，有较厚的漂移区和较厚的P型集电极，正向导通压降高，并且正向导通压降和阻断电压的折中关系较差。当州翱事区h村雇“，∑∥／，：．／N器蓼区N覆冲层P+村雇集电极粟电擞Ca)NPT-IGBT器件(b)PT-IGBT器件图1．1NPT-IGBT器件及PT-IGBT器件结构图2l世纪初，出现了电场截止型IGBT(FS—IGBT)器件010l【1

6、11及沟槽栅电场截止型IGBT(FS．Trench-IGBT)器州1211131，如图1．2所示，FS．IGBT采用了背面离子注入技术，使得器件拥有很薄的P型集电极，该结构显著降低了器件的正向导通压降；而与平面栅结构相比，沟槽栅结构消除了器件内部的JFET电阻，从而使正向导通压降进一步减小了约20％，再加上减小了每个元胞的表面积，因而也增大了器件的电流密度。舅圈囝(a)FS．IGBT器件(b)FS．Trench．IGBT器件图1．2FS．IGBT器件及FS．Trench—IGBT器件结构图而为了进一步降低器件的正向导通压降，在沟槽栅IGBT器件

7、的理论基础上，国际上又提出了IE效应(InjectionEnhancedEffect)的理论，该理论主要是在器件导通时，通过使空穴在器件的发射极处形成积累，增强发射极的电子注入效率，提高电导调制效应。由于空穴积累的位置靠近器件的反偏结，因此可以在不增加器件关断损耗的同时，降低器件的正向导通压降，改善器件的工作性能。在该理论的基础上，发展出了一批低导通压降的IGBT器件结构。如图1．3所示，为东芝公司的MatsudaH、KitagawaM等人设计的IEGT器件结构””l。IEGT器件作为IGBT器件的衍生器件，通过将器件的沟槽栅做大，可以增强其I

8、E效应。其基本原理为IEGT器件正向导通时，集电极注入的大量的空穴进入N型漂移区，这部分空穴在N型漂移区扩散，流向发射极，由图1．3可以看出，从器件集