现代电力电子器件 IGBT

现代电力电子器件

IGBT

姓名：王俊利

指导老师：戴陶珍 专业：电气工程 班级：24班 学号：2012022424

IGBT

一、IGBT的概况

电力电子技术是以电力为对象的电子技术，它的主要任务是对电能进行控制和变换。电力电子技术已成为信息产业和传统产业之间的重要桥梁，成为支持多项高新技术发展的基础手段，它将为进一步节能、节材、提高生产效率提供强有力的手段。而电力电子技术的基础是电力电子器件，它随电力电子器件的发展而发展。目前最常用的电力电子器件是IGBT（绝缘栅双极晶体管）。

IGBT是一种新型的集成复合器件，是由MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件。它集成了功率MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、热稳定性好以及驱动电路简单等优点，又集成了GTR和GTO的阻断电压高、载流能力强等优点，扬长避短，使其特性更加优越，在电机、中频和开关电源，以及要求快速、低损耗的领域备受青睐，非常适合应用于直流电压为600V及以上的的交流系统如交流电机、变频器、开关电源，照明电路、牵引传动等领域。

目前IGBT的研究水平在不断发展，其特性是进一步降低通态压降和提高工作速度。产品已模块化，根据封装形式分为四类： （1）单独的IGBT，容量达15~400A,400~1200V； （2）半桥IGBT，容量达15~75A，500~1000V； （3）全桥IGBT，容量达18~32A，400~500V； （4）三相IGBT，容量达15~100A，400~1200V。 二、IGBT发展前景

能源时代，IGBT 兴起：能源高效、清洁利用的核心都在于各种能源形式的高效控制、高效转换，而 IGBT 作为新型功率半导体器件，其性能优越，广泛应用于轨道交通、风电与太阳能、电动汽车、家用电器等领域。

市场广阔，同时集中度很高：2010年全球 IGBT需求预计达到 30亿美元左右，而中国 IGBT 市场有望从 2009 年的 4.30 亿美元，上升到 2014 年的9.75亿美元，增长一倍以上。目前 IGBT市场为日本和欧美企业所垄断，前4名企业合计占有超过 75%的市场份额。

南车投资大功率 IGBT 产业化项目：今年 5 月 25 日，南车大功率 IGBT 产业化基地启动，该项目由南车株洲所实施，总投资 14 亿元，预计 2013 年正

式投产。建成后，该基地将具备年产 12 万片 8 英寸 IGBT 芯片和 100 万只大功率 IGBT器件的能力，年产值超过 20亿元。

巩固领先地位，形成业务互相促进：综合技术储备、产品积累、产业配套的三大优势，南车将在国内 IGBT 技术突围和产业化中巩固领跑地位。该项目的实施，不仅促进大功率机车、高速动车组的核心零部件国产化，同时与其风电、电动汽车、电机等产品形成互相促进的作用。

意义重大：IGBT 项目体现了高速动车组作为高端装备，其对于中国制造业的推动作用，正如美国的航空航天产业是其制造业的推进器一样。这也预示着：屡创世界第一的中国轨道交通装备产业，还将孕育更多的核心技术，更多的中国制造突破的故事。中国南车的新产业，也正在从其高速动车组取得的巨大成功中汲取力量，创造更多的新的辉煌！ 三、IGBT的工作原理

上边所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶

体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

IGBT的开通和关断石油门极来控制的。门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。

IGBT是三端器件，具有栅极G，集电极C和发射极E。它是一种场控制器。 四、IGBT的基本特性 1、静态特性

图为IGBT的转移特性：描述的是集电极电流 IC与栅射电压UGE之间的关系。

开启电压UGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降，温度每升高1°C，其值下降5mV左右。在+25°C时，UGE(th)的值一般为2~6V。

上图为IGBT的输出特性（伏安特性）：描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。

IGBT的输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。

当UCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态。在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。

2、动态特性

IGBT开通时，从驱动电压UCE的前沿上升至其幅值的10%的时刻，到集电极电流IC上升至其幅值的10%的时刻止，这段时间为开通延时时间td(on)。而IC从10%ICM上升至90%ICM所需时间为电流上升时间tr。同样，开通时间ton为开通延迟时间与电流上升时间之和。开通时，集射电压UCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。前者为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；后者为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。由于UCE下降时IGBT中MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此tfv2段电压下降过程变缓。只有在tfv2段结束时，IGBT才完全进入饱和状态。

IGBT关断时，从驱动电路UGE的脉冲后沿下降到幅值的90%的时刻起，到集电极电流下降至90%ICM止，这段时间为关断延迟时间td(off) ；集电极电流从90%ICM下降至10%ICM的这段时间为电流下降时间。二者之和为关断时间toff。电流下降时间可分为tfi1和tfi2两段。其中tfi1对应IGBT内部的MOSFET

的关断过程，这段时间集电极电流IC下降较快；tfi2对应IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，这段时间内IGBT已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少子复合缓慢，造成IC下降较慢。由于此时集射电压已经建立，因此较长的电流下降时间会产生较大的关断损耗。为解决这一问题，可以与GTR一样通过减轻饱和程度来缩短电流下降时间，不过同样也需要与通态压降折衷。

此外，IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。高压器件的N基区必须有足够的宽度和较高电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。

五、IGBT的擎住效应和安全工作区 1、IGBT的擎住效应

在IGBT复合器件内部寄生着一个晶闸管，N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成的。其中NPN晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，在该电阻上，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一个正向偏压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大，NPN晶体管不起作用。当漏极电流大到一定程度时，这个正偏置电压足以使NPN晶体管导通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控，这种现象称为擎住效应或自锁效应。

引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），dUCE/dt过大（动态擎住效应），或温度升高。

动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。 2、IGBT的安全工作区

正向偏置安全工作区（Forward Biased Safe Operating Area——FBSOA）根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。

反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Operating Area——RBSOA）根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dUCE/dt。 六、IGBT的主要参数

最大集射极间电压UCES：由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压

所确定的。

最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 最大集电极功耗PCM ：在正常工作温度下允许的最大耗散功率 七、IGBT的特性和参数特点可以总结如下： 开关速度高，开关损耗小。

在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。

与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。

八、IGBT的过流保护和IGBT开关过程中的过电压 1、IGBT的过流保护

IGBT的过流保护电路可分为 2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。

对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。

IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。 2、IGBT开关过程中的过电压

关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其

电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。