CN106849924A - 一种集成光触发一体化igbt结构及设计方法 - Google Patents

一种集成光触发一体化igbt结构及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体器件设计领域，尤其是一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法。本发明针对现有技术存在的问题，通过设计与IGBT电路结构在同一片硅片上加工的触发控制初级电源电路、正负极性栅极电压控制电路，采用绝缘隔离的触发方法控制栅极相对源极的电位差，从而控制IGBT的通断，用于解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。本发明中当正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时，负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，正极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行正极性充电，当IGBT栅极电压达到导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通。

Description

一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法
技术领域
本发明属于半导体器件设计领域，尤其是一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法。
背景技术
目前，IGBT均设计为电压控制器件(图1)，栅极为金属电极，在栅极和源极之间施加足够高的正向驱动电压信号，在栅极下方的P区会形成一个反型层，即N导通沟道，经由这个通道，电子从源极下方的N+区注入N-区，使IGBT进入导通状态。当栅极与源极之间的正向驱动电压消失，栅极与源极电位差低于IGBT导通所需的电压阈值时，IGBT截止。因此，目前IGBT的导通是由栅极驱动电压信号在栅极下方的P区形成N型导通沟道控制的，需要通过外接馈线由驱动电路为栅极馈送正向电压信号。IGBT由截止状态向导通状态转换的时间由栅极注入电流和IGBT结构参数决定。目前，由于IGBT结构的限制，对额定工作电流数百安培以上的大功率IGBT而言，栅极结构电容较大，IGBT的状态转换时间通常在百纳秒以上。同时，在多个IGBT串联使用时，电脉冲触发方式会带来IGBT的绝缘隔离问题。通过对IGBT栅极区结构进行特殊设计并采用匹配的触发方式，可以解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法，即通过设计触发控制初级电源电路、负极性栅极电压控制电路以及正极性栅极电压控制电路，并使其与IGBT源极、漏极连通，采用绝缘隔离的触发方法控制栅极下方导电沟道的形成，控制IGBT的通断，与IGBT电路结构在同一片硅片上加工，用于解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种集成光触发一体化IGBT结构包括：
触发控制初级电源电路，用于跨接在IGBT源级和漏极之间，当IGBT漏极(D极)与IGBT源级(S极)存在电位差U0时，通过触发控制初级电源电路输出端为负极性及正极性栅极电压控制电路进行储能充电，触发控制初级电源电路为栅极电压控制电路提供的阈值储能电压值为U1；U0>U1；U1＝Ug+Uk+UMF+Um；Ug为使IGBT导通所需的栅极(G极)-源极电位差，Uk为光控制开关PCSS导通压降，UMF为第一电源模块工作压降，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般情况下Um≤3V；
负极性栅极电压控制电路，用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关(PCSS)未受光照时，负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态；
正极性栅极电压控制电路，用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通；当器件设计时以器件寿命为优先考虑因素时，光控制开关设定为线性工作模式时，光控制开关的导通时间约等于光脉冲脉宽；
正极性栅极电压控制电路的输出端与负极性栅极电压控制电路输出端相连后连接到IGBT栅极上，IGBT栅极通过泄放电阻与IGBT源极相连。
进一步的，正极性栅极电压控制电路的第一电源模块A输出正极性电压U2，U2＝Ug+Uk+Um，Uk为光控制开关导通压降，Ug为IGBT要求的驱动电压，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般Um≤3V。所述当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时，光控制开关设定为非线性工作模式，此时，U2＝Ug+Uk+Um中Ug取IGBT栅极触发电压上限UgH；第一限流电阻R1推荐取值(1.5到5)*UgH/IgH，IgH为IGBT栅极最大允许注入电流；IGBT导通时间宽度τ≈k1(第一限流电阻R1阻值+泄放电R3阻值)*(第二储能电容C2容值+IGBT栅极电容CG容值)，k1的值与IGBT栅极触发电压上限UgH与栅极触发电压下限UgL的比值UgH/UgL相关，一般在0.2到0.5之间。此种工作模式下，IGBT导通时间宽度可通过调整第一限流电阻R1和第二储能电容C2容值予以调整以适应应用需求。
进一步的，所述触发控制初级电源电路包括充电电阻Rh、齐纳稳压二极管D1以及第一储能电容C1；所述齐纳稳压二极管D1与第一储能电容C1并联；齐纳稳压二极管D1一端与与充电电阻Rh一端、第一储能电容C1一端连接，另一端与IGBT源级连接；充电电阻Rh另一端与IGBT漏极连接；第一储能电容C1一端与第一电源模块输入端、第二电源模块的输入端、齐纳稳压二极管D1一端及充电电阻Rh一端连接，第一储能电容C1另一端与IGBT源极连接。所述电压差U0通过充电电阻Rh给第一储能电容C1充电，使得第一储能电容C1的充电电压阈值为U1；然后第一储能电容给正极性以及负极性栅极电压控制电路馈电，控制IGBT处于关断或者导通状态；触发控制初级电源电路输出端指的是二极管D1与第一储能电容C1并联，且与充电电阻Rh连接的端口。
进一步的，所述正极性栅极电压控制电路包括第一电源模块A、第一限流电阻R1、第二储能电容C2以及光控制开关PCSS；第一储能电容C1同时为第一电源模块A供电，触发控制初级电源电路输出端通过第一电源模块A与第一限流电阻R1一端、第二储能电容C2一端连接；第一限流电阻R1另一端通过光控制开关与IGBT栅极连接；第二储能电容与第一电源模块A及第一限流电阻相连接的一端作为正极性连接端；第二储能电容C2另一端通过短路连接线连接到IGBT源极，是第二储能电容C2的地线端；所述第一电源模块A输出正极性电压U2，U2＝Ug+Uk+Um，Uk为光控制开关导通压降，Ug为IGBT要求的驱动电压，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般Um≤3V。
进一步的，所述当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，光控制开关导通，第二储能电容对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时IGBT导通，具体过程是：当光控制开关导通时，光控制开关呈现低阻状态，此时第二储能电容、第一限流电阻、光控制开关、泄放电阻构成导通回路，此时第二储能电容上电压U2通过第一限流电阻和泄放电阻分压后加载到IGBT栅极上；由于第二储能电容容值>>第三储能电容容值，泄放电阻阻值>>第二限流电阻阻值>第一限流电阻阻值；此时IGBT栅极上为正极性电压，当该电压满足IGBT导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通；其中U2＝Ug+Uk+Um，Uk为光控制开关导通压降，Ug为IGBT要求的驱动电压，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般Um≤3V；光控制开关是通过光脉冲控制通断的开关；其中泄放电阻跨接在IGBT栅极与源级之间；其中第一储能电容容值>第二储能电容容值>>第三储能电容容值。
进一步的，所述负极性栅极电压控制电路包括第二电源模块B、第二限流电阻R2、第三储能电容C3、第三限流电阻R4、泄放电阻R3；触发控制初级电源电路输出端通过第二电源模块B与第三限流电阻R4一端相连接；第三限流电阻R4另一端与第三储能电容C3一端、第二限流电阻R2一端连接；第二限流电阻R2另一端与IGBT栅极连接；第三储能电容C3与第二限流电阻R2和第三限流电阻R4相连接的一端作为负极性钳位电压输出端；第三储能电容C3另一端通过短路连接线与IGBT源极连接；第一储能电容C1为第二电源模块B供电时，所述第二电源模块输出负极性电压U3，U3＝Uoff·(第二限流电阻阻值R2+泄放电阻R3阻值)/泄放电阻R3阻值；Uoff指的是IGBT关断电压阈值，一般Uoff为-5V。。
进一步的，所述正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时，负极性栅极导通电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态，具体工作流程是光控制开关未受光照时保持高电阻状态，光控制开关阻值远大于泄放电阻R3阻值；此时第三储能电容C3、第二限流电阻R2和泄放电阻R3构成导通回路，IGBT栅极的电位由负极性充电的第三储能电容通过第二限流电阻和泄放电阻R3钳制在负电位，使得IGBT处于关断状态；其中U3＝Uoff·(第二限流电阻阻值R2+泄放电阻R3阻值)/泄放电阻R3阻值；Uoff指的是IGBT关断电压阈值，一般Uoff为-5V。第三限流电阻电阻R4用于限制第二电源模块B向第二储能电容的充电速率，其值根据IGBT运行频率f和占空比δ确定，一般取值范围为((1-δ)/4C3f)≤R4≤(1/4C3f)，推荐取为R4≈(1/8C3f)。
一种集成光触发一体化IGBT结构设计方法，包括：
步骤1：将触发控制初级电源电路跨接在IGBT源级(S极)和漏极(D极)之间，当IGBT漏极与IGBT源级存在电压差U0时，通过触发控制初级电源电路输出端为栅极电压控制电路进行储能充电，触发控制初级电源电路为栅极电压控制电路提供的阈值储能电压值为U1；U0>U1；U1＝Ug+Uk+UMF+Um；Ug为使IGBT导通所需的栅极(G极)-源极电位差，Uk为光控制开关(PCSS)导通压降，UMF为第一电源模块工作压降，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般Um≤3V；
步骤2：在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间设置负极性栅极电压控制电路与正极性栅极电压控制电路；正极性栅极电压控制电路的输出端与负极性栅极电压控制电路输出端相连后连接到IGBT栅极上，IGBT栅极通过泄放电阻与IGBT源极相连；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时，负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使其电位被钳制在相对源极的负电位，使得IGBT保持关断状态；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，正极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通。
其中，所述触发控制初级电源电路包括充电电阻、齐纳二极管以及第一储能电容；所述二极管与第一储能电容并联；二极管分别与充电电阻一端、IGBT源级连接；充电电阻另一端与IGBT漏极连接；所述电压差U0通过充电电阻给第一储能电容充电，使得储能电容的充电电压阈值为U1；然后储能电容给正极性以及负极性栅极电压控制电路馈电，控制IGBT处于关断或者导通状态；触发控制初级电源电路输出端指的是二极管与第一储能电容并联，且与充电电阻供电连接的端口。
进一步的，当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时IGBT导通，具体过程是：
步骤21：正极性栅极电压控制电路包括第一电源模块、第一限流电阻、第二储能电容、光控制开关以及泄放电阻；第一储能电容同时为第一电源模块和第二电源模块供电，触发控制初级电源电路输出端通过第一电源模块与第一限流电阻一端、第二储能电容一端连接；第一限流电阻另一端通过光控制开关与IGBT栅极连接；第二储能电容一端作为正极性电压输出端与第一限流电阻一端连接；第二储能电容另一端通过短路连接线与IGBT源极连接；所述第一电源模块输出正极性电压U2；其中U2＝Ug+Uk+Um，Uk为光控制开关导通压降，Ug为IGBT要求的驱动电压，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般Um≤3V；
步骤22：当光控制开关受到光照导通时，光控制开关呈现低阻状态，此时第二储能电容、第一限流电阻、光控制开关、泄放电阻构成导通回路，此时第二储能电容上电压U2通过第一限流电阻和泄放电阻分压后加载到IGBT栅极上；由于第二储能电容容值>>第三储能电容容值，泄放电阻阻值>>第二限流电阻阻值>第一限流电阻阻值；此时IGBT栅极上为正极性电压，当该电压满足IGBT导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通；光控制开关是通过光脉冲控制通断的开关；其中泄放电阻跨接在IGBT栅极与源级之间；其中第一储能电容容值>第二储能电容容值>>第三储能电容容值。
进一步的，正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时，负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态，具体工作流程是：
步骤31：负极性栅极电压控制电路包括第二电源模块、第三限流电阻R4、第三储能电容C3、第二限流电阻R2、及泄放电阻R3；触发控制初级电源电路输出端通过第二电源模块通过第三限流电阻R4与第三储能电容一端连接；第二限流电阻一端与第三储能电容一端连接；第二限流电阻另一端与IGBT栅极及泄放电阻一端连接；第三储能电容另一端通过短路连接线与IGBT源极连接；第一储能电容为第二电源模块供电时，所述第二电源模块输出负极性电压U3；其中U3＝Uoff·(第二限流电阻阻值+泄放电阻阻值)/泄放电阻阻值；Uoff指的是IGBT关断电压值。
步骤32：当正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时，光控制开关保持高电阻状态，光控制开关阻值远大于泄放电阻阻值；此时负极性栅极电压控制电路第三储能电容、第二限流电阻和泄放电阻构成导通回路，IGBT栅极的电位由负极性充电的第三储能电容通过第二限流电阻和泄放电阻钳制在负电位，使得IGBT处于关断状态。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、通过本发明电路结构使其与IGBT源极、漏极联通，本发明采用光控制开关进行绝缘隔离的触发方法来控制栅极下方导电沟道的形成，控制IGBT的通断，用于解决IGBT器件与其触发控制系统的绝缘隔离问题。
2、本发明电路与IGBT电路结构集成在同一硅片上。本发明电路与IGBT栅极之间无外接连接引线，回路电感极低，减小栅极电位控制电路向栅极注入或抽取电流的电路的回路阻抗，实现对栅极结构电容较大的灌注或抽取电流而不引起欠阻尼震荡，缩短IGBT状态转换时间，用于解决状态转换时间长的问题。通过本发明电路结构使其与IGBT源极、漏极联通，使本发明电路直接从IGBT电路系统获得能量馈入，用于解决IGBT触发电路电源系统与IGBT主电路之间的绝缘隔离问题。
3、当器件设计时以器件寿命为优先考虑因素时，光控制开关(PCSS)设定为线性工作模式时，光控制开关的导通时间约等于光脉冲脉宽。当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时，光控制开关设定为非线性工作模式时，光控制开关的导通时间由正极性栅极电压控制电路参数决定，IGBT导通时间宽度τ≈k1(第一限流电阻R1阻值+泄放电R3阻值)*(第二储能电容C2容值+IGBT栅极电容CG容值),k1的值与IGBT栅极触发电压上限UgH与栅极触发电压下限UgL的比值(UgH/UgL)相关，一般在0.2∽0.5之间。解决技术问题是使光控制开关快速实现高阻状态向低阻状态的转换，并使其导通电阻降至极小值，实现向IGBT栅极结电容的快速电流注入。
4、正、负极性栅极电压控制电路与IGBT电路结构在同一片硅片上加工，解决技术问题是减小正、负极性栅极电压控制电路与IGBT栅极构成的驱动脉冲回路的电感，避免快速电流注入或抽取模式工作时出现欠阻尼振荡。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1a现有技术中IGBT器件内部结构图。
图1b现有技术中IGBT器件等效图。
图2本发明IGBT芯片电路结构图。
附图标记：DC-DC模块A指的是第一电源模块
DC-DC模块B指的是第二电源模块
D1-齐纳二极管 C1-第一储能电容 C2-第二储能电容
C3-第三储能电容 R1-第一限流电阻 R2-第二限流电阻
R3-泄放电阻 R4-第三限流电阻 Rh-充电电阻
PCSS-光控制开关 RMOD-IGBT内部电阻
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明相关说明：
1、泄放电阻R3设置在IGBT栅极与源级之间，作用是使IGBT栅极相对源极保持一个确定的电势差，避免栅极浮动造成栅极电位的不确定。一般IGBT驱动电路中都会设置这个偏置电阻R3；
2、目前为止，IGBT的驱动电路与IGBT器件均采用分立设计方式，即IGBT驱动电路是独立于IGBT芯片之外的一个产生电脉冲馈送至IGBT栅极用于驱动IGBT的电路板。
3、第一电源模块和第二电源模块都是DC-DC模块，即用于直流-直流电压变换的模块。DC-DC电源模块A与B可以是同型异极性输出电源模块，也可以选择非同型模块，其电路结构可以采用已有的成熟直流-直流电压变换电路；DC-DC电源模块A输出正电压，DC-DC电源模块B输出负电压。
4、工作原理：
步骤1：齐纳二极管D1与电容C1并联后与限流电阻Rh串联，跨接在IGBT栅极和漏极之间。在IGBT加电状态下，源、漏极之间存在电压差U0，该电压同样加载到Rh和D1、C1构成的触发控制电路初级电源电路上。U0通过限流电阻Rh给储能电容C1充电，当C1上电压达到预设的齐纳二极管的稳压阈值时，D1动作，使C1上电压维持在预设电压U1。根据IGBT要求的驱动电压Ug和第一电源模块(DC-DC模块A)的压降特性设定齐纳二极管的稳压阈值，典型值设为U1＝Ug+Uk+UMF+Um；Ug为使IGBT导通所需的栅极(G极)-源极电位差，Uk为光控制开关(PCSS)导通压降，UMF为DC-DC模块工作压降，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般≤3V。
步骤2：第一电源模块由C1供电，产生IGBT正向导通所需的正极性电压输出，给正向导通控制支路储能电容C2充电，其输出电压U2需根据IGBT要求的驱动电压Ug设定，推荐设计为U2＝Ug+Uk+Um，Uk为光控制开关导通压降，Ug为IGBT要求的驱动电压，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压(一般≤3V)。C2和IGBT栅极之间通过限流电阻R1和控制开关PCSS相连接。PCSS是由光脉冲控制通断的光控半导体开关，PCSS导通时C2通过R1向IGBT栅极供电，通过SiO2隔离在Si材料中建立电场，在栅极下方的P型区内形成N型沟道，使其MOSFET结构导通，为晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。
步骤3：第二电源模块也由C1供电，产生使IGBT关断所需的负极性电压输出，通过负极性支路充电电阻(即第三限流电阻)R4给反向关断控制支路储能电容C3充电，其输出电压U3需根据IGBT要求的关断电压Uoff设定，推荐设计为U3＝Uoff·(R2+R3)/R3。C2和IGBT栅极之间通过第二限流电阻R2连接。IGBT栅极通过泄放电阻R3与IGBT源极连接。
其中第一储能电容C1容值>第二储能电容C2容值≥第三储能电容C3容值；负极性支路充电电阻(即第三限流电阻)R4≥泄放电阻R3阻值≥第二限流电阻R2阻值>第一限流电阻R1阻值；
以上电路结构设计使IGBT加电后，常态下由负极性关断控制支路使其保持关断状态，当且仅当控制开关PCSS导通时，IGBT进入导通状态。
整个电路的工作流程可归纳如下：
U0通过Rh给电容器C1充电至U1，C1给DC-DC模块A和B馈电。DC-DC模块A的输出电压为U2，DC-DC模块B的输出电压为U3。
DC-DC模块A产生IGBT正向导通所需的正极性电压给正极性导通栅极控制支路储能电容C2充电，在PCSS未受光照时，PCSS保持高电阻状态，其阻值远大于泄放电阻R3的阻值。此时由于C3、R2和R3回路的存在，IGBT栅极G的电位由负极性充电的C3通过R2和R3钳制在负电位，与源极之间的电压差为U3·R3/(R2+R3)。
当使用光脉冲辐照PCSS时，PCSS导通，呈现低阻状态，电阻降至数mΩ至数Ω，此时，C2、R1、PCSS、R3回路导通，C2上电压通过R1和R3分压后加载到IGBT栅极上，由于C2≥C3，R3≥R2>R1，故此时IGBT栅极上为正极性电压，当该电压满足IGBT导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通。IGBT的导通状态持续时间由光脉冲参数、PCSS工作状态和IGBT的转换、恢复特性等决定。当器件设计时以器件寿命为优先考虑因素时，PCSS设定为线性工作模式时，PCSS的导通时间约等于光脉冲脉宽。当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时，PCSS设定为非线性工作模式时，PCSS的导通时间由C2、R1、R3以及IGBT栅极耐受电压和导通控制阈值电压等参数决定。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种集成光触发一体化IGBT结构，其特征在于包括：
触发控制初级电源电路，用于跨接在IGBT源级和漏极之间，当IGBT漏极(D极)与IGBT源级(S极)存在电位差U0时，通过触发控制初级电源电路输出端为负极性及正极性栅极电压控制电路进行储能充电，触发控制初级电源电路为栅极电压控制电路提供的阈值储能电压值为U1；U0>U1；U1＝Ug+Uk+UMF+Um；Ug为使IGBT导通所需的栅极(G极)-源极电位差，Uk为光控制开关(PCSS)导通压降，UMF为第一电源模块(DC-DC模块A)工作压降，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般情况下Um≤3V；
负极性栅极电压控制电路，用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关(PCSS)未受光照时，负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态；
正极性栅极电压控制电路，用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通；当器件设计时以器件寿命为优先考虑因素时，光控制开关设定为线性工作模式时，光控制开关的导通时间约等于光脉冲脉宽；
正极性栅极电压控制电路的输出端与负极性栅极电压控制电路输出端相连后连接到IGBT栅极上，IGBT栅极通过泄放电阻与IGBT源极相连。
2.根据权利要求1所述的一种集成光触发一体化IGBT结构，其特征在于所述当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时，光控制开关设定为非线性工作模式。正极性栅极电压控制电路的第一电源模块A输出正极性电压U2，U2＝Ug+Uk+Um，Uk为光控制开关导通压降，Ug为IGBT要求的驱动电压，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般Um≤3V；当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时，U2＝Ug+Uk+Um中Ug取IGBT栅极触发电压上限UgH；第一限流电阻(R1)推荐取值(1.5到5)*UgH/IgH，IgH为IGBT栅极最大允许注入电流；IGBT导通时间宽度τ≈k1(第一限流电阻R1阻值+泄放电R3阻值)*(第二储能电容C2容值+IGBT栅极电容CG容值),k1的值与IGBT栅极触发电压上限UgH与栅极触发电压下限UgL的比值(UgH/UgL)相关，一般在0.2到0.5之间。此种工作模式下，IGBT导通时间宽度可通过调整第一限流电阻R1和第二储能电容C2容值予以调整以适应应用需求。
3.根据权利要求1所述的一种集成光触发一体化IGBT结构，其特征在于所述触发控制初级电源电路包括充电电阻(Rh)、齐纳稳压二极管(D1)以及第一储能电容(C1)；所述齐纳稳压二极管(D1)与第一储能电容(C1)并联；齐纳稳压二极管(D1)一端与与充电电阻(Rh)一端、第一储能电容(C1)一端连接，另一端与IGBT源级连接；充电电阻(Rh)另一端与IGBT漏极连接；第一储能电容(C1)一端与第一电源模块输入端、第二电源模块的输入端、齐纳稳压二极管(D1)一端及充电电阻(Rh)一端连接，第一储能电容(C1)另一端与IGBT源极连接。所述电压差U0通过充电电阻(Rh)给第一储能电容(C1)充电，使得第一储能电容(C1)的充电电压阈值为U1；然后第一储能电容给正极性以及负极性栅极电压控制电路馈电，控制IGBT处于关断或者导通状态；触发控制初级电源电路输出端指的是二极管(D1)与第一储能电容(C1)并联，且与充电电阻(Rh)连接的端口。
4.根据权利要求1所述的一种集成光触发一体化IGBT结构，其特征在于所述正极性栅极电压控制电路包括第一电源模块(A)、第一限流电阻(R1)、第二储能电容(C2)以及光控制开关(PCSS)；第一储能电容(C1)为第一电源模块(A)供电，触发控制初级电源电路输出端通过第一电源模块(A)与第一限流电阻(R1)一端、第二储能电容(C2)一端连接；第一限流电阻(R1)另一端通过光控制开关与IGBT栅极连接；第二储能电容与第一电源模块(A)及第一限流电阻相连接的一端作为正极性连接端；第二储能电容(C2)另一端通过短路连接线连接到IGBT源极，是第二储能电容(C2)的地线端；所述第一电源模块(A)输出正极性电压U2，U2＝Ug+Uk+Um，Uk为光控制开关导通压降，Ug为IGBT要求的驱动电压，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般情况下Um≤3V。
5.根据权利要求4所述的一种集成光触发一体化IGBT结构，其特征在于所述当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时IGBT导通，具体过程是：当光控制开关导通时，光控制开关呈现低阻状态，此时第二储能电容、第一限流电阻、光控制开关、泄放电阻构成导通回路，此时第二储能电容上电压(U2)通过第一限流电阻和泄放电阻分压后加载到IGBT栅极上；由于第二储能电容容值>>第三储能电容容值，泄放电阻阻值>>第二限流电阻阻值>第一限流电阻阻值；此时IGBT栅极上为正极性电压，当该电压满足IGBT导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通；其中U2＝Ug+Uk+Um，Uk为光控制开关导通压降，Ug为IGBT要求的驱动电压，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般Um≤3V；光控制开关是通过光脉冲控制通断的开关；其中泄放电阻跨接在IGBT栅极与源级之间；其中第一储能电容容值>第二储能电容容值>>第三储能电容容值。
6.根据权利要求1所述的一种集成光触发一体化IGBT结构，其特征在于所述负极性栅极电压控制电路包括第二电源模块(B)、第二限流电阻(R2)、第三储能电容(C3)、第三限流电阻(R4)、泄放电阻(R3)；触发控制初级电源电路输出端通过第二电源模块(B)与第三限流电阻(R4)一端相连接；第三限流电阻(R4)另一端与第三储能电容(C3)一端、第二限流电阻(R2)一端连接；第二限流电阻(R2)另一端与IGBT栅极连接；第三储能电容(C3)与第二限流电阻(R2)和第三限流电阻(R4)相连接的一端作为负极性钳位电压输出端；第三储能电容(C3)另一端通过短路连接线与IGBT源极连接；第一储能电容(C1)为第二电源模块(B)供电时，所述第二电源模块输出负极性电压U3，U3＝Uoff·(第二限流电阻阻值+泄放电阻阻值)/泄放电阻阻值；Uoff指的是IGBT关断电压值。
7.根据权利要求6所述的一种集成光触发一体化IGBT结构，其特征在于所述正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时，负极性栅极导通电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态，具体工作流程是：光控制开关未受光照时，光控制开关保持高电阻状态，光控制开关阻值远大于泄放电阻R3阻值；此时第三储能电容C3、第二限流电阻R2和泄放电阻R3构成导通回路，IGBT栅极的电位由负极性充电的第三储能电容通过第二限流电阻和泄放电阻R3钳制在负电位，使得IGBT处于关断状态；其中U3＝Uoff·(第二限流电阻阻值R2+泄放电阻R3阻值)/泄放电阻R3阻值；Uoff指的是IGBT关断电压阈值，一般Uoff为-5V。第三限流电阻电阻R4用于限制第二电源模块B向第二储能电容的充电速率，其值根据IGBT运行频率f和占空比δ确定，一般取值范围为((1-δ)/4C3f)≤R4≤(1/4C3f)，推荐取为R4≈(1/8C3f)。
8.一种集成光触发一体化IGBT结构设计方法，其特征在于包括：
步骤1：将触发控制初级电源电路跨接在IGBT源级和漏极之间，当IGBT漏极与IGBT源级存在电压差U0时，通过触发控制初级电源电路输出端为栅极电压控制电路进行储能充电，触发控制初级电源电路为栅极电压控制电路提供的阈值储能电压值为U1；U0>U1；U1＝Ug+Uk+UMF+Um；Ug为使IGBT导通所需的栅极(G极)-源极电位差，Uk为光控制开关(PCSS)导通压降，UMF为第一电源模块模块工作压降，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般Um≤3V；
步骤2：在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间设置负极性栅极电压控制电路与正极性栅极电压控制电路；正极性栅极电压控制电路的输出端与负极性栅极电压控制电路输出端相连后连接到IGBT栅极上，IGBT栅极通过泄放电阻与IGBT源极相连；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时，负极线栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使其电位被钳制在相对源极的负电位，使得IGBT保持关断状态；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，正极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通。
其中，所述触发控制初级电源电路包括充电电阻、齐纳二极管以及第一储能电容；所述二极管与第一储能电容并联；二极管一端与充电电阻一端连接、另一端与IGBT源级连接；充电电阻另一端与IGBT漏极连接；所述电压差U0通过充电电阻给第一储能电容充电，使得储能电容的充电电压阈值为U1；然后储能电容给正极性以及负极性栅极电压控制电路馈电，控制IGBT处于关断或者导通状态；触发控制初级电源电路输出端指的是二极管与第一储能电容并联，且与充电电阻供电连接的端口。
9.根据权利要求6所述的一种集成光触发一体化IGBT结构设计方法，其特征在于当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时IGBT导通，具体过程是：
步骤21：正极性栅极电压控制电路包括第一电源模块、第一限流电阻、第二储能电容、光控制开关以及泄放电阻；第一储能电容同时为第一电源模块和第二电源模块供电，触发控制初级电源电路输出端通过第一电源模块与第一限流电阻一端、第二储能电容一端连接；第一限流电阻另一端通过光控制开关与IGBT栅极连接；第二储能电容一端作为正极性电压输出端与第一限流电阻一端连接；第二储能电容另一端通过短路连接线与IGBT源极连接；所述第一电源模块输出正极性电压U2；
步骤22：当光控制开关受到光照导通时，光控制开关呈现低阻状态，此时第二储能电容、第一限流电阻、光控制开关、泄放电阻构成导通回路，此时第二储能电容上电压U2通过第一限流电阻和泄放电阻分压后加载到IGBT栅极上；由于第二储能电容容值>>第三储能电容容值，泄放电阻阻值>>第二限流电阻阻值>第一限流电阻阻值；此时IGBT栅极上为正极性电压，当该电压满足IGBT导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通；其中U2＝Ug+Uk+Um，Uk为光控制开关导通压降，Ug为IGBT要求的驱动电压，Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般Um≤3V；光控制开关是通过光脉冲控制通断的开关；其中泄放电阻跨接在IGBT栅极与源级之间；其中第一储能电容容值>第二储能电容容值>>第三储能电容容值。
10.根据权利要求6所述的一种集成光触发一体化IGBT结构设计方法，其特征在于当正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时，对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态，具体工作流程是：
步骤31：负极性栅极电压控制电路包括第二电源模块、第三限流电阻R4、第三储能电容(C3)、第二限流电阻(R2)、及泄放电阻(R3)；触发控制初级电源电路输出端通过第二电源模块通过第三限流电阻(R4)与第三储能电容一端连接；第二限流电阻一端与第三储能电容一端连接；第二限流电阻另一端与IGBT栅极及泄放电阻一端连接；第三储能电容另一端通过短路连接线与IGBT源极连接；第一储能电容为第二电源模块供电时，所述第二电源模块输出负极性电压U3；U3＝Uoff·(第二限流电阻阻值+泄放电阻阻值)/泄放电阻阻值；Uoff指的是IGBT关断电压值。
步骤32：当光控制开关未受光照时，光控制开关保持高电阻状态，光控制开关阻值远大于泄放电阻阻值；此时第三储能电容、第二限流电阻和泄放电阻构成导通回路，IGBT栅极的电位由负极性充电的第三储能电容通过第二限流电阻和泄放电阻钳制在负电位，使得IGBT处于关断状态。
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