【正文】 1 IGBT的 簡介 IGBT的基本結(jié)構(gòu) 絕緣柵雙極晶體管本質(zhì)上是一個場效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個 P型層。根據(jù)國際電工委員會 IEC／ TC（ CO） 1339文件建議，其各部分名稱基本沿用場效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。 圖 2－ 53所示為一個 N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。 N+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的 P型區(qū)（包括 P+和 P 一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（ Subchannel region） 。而在漏區(qū)另一側(cè)的 P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（ Drain injector），它是 IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。 為了兼顧長期以來人們的習(xí)慣， IEC規(guī)定：源極引出的電極端子（含電極端）稱為發(fā)射極端（子），漏極引出的電極端（子）稱為集電極端（子）。這又回到雙極晶體管的術(shù)語了。但僅此而已。 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖 2－ 53所示。它在結(jié)構(gòu)上類似于 MOSFET，其不同點在于IGBT是在 N溝道功率 MOSFET的 N+基板（漏極）上增加了一個 P+基板（ IGBT 的集電極），形成 PN結(jié) j1，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與 MOSFET 相似。 由圖 2－ 5 4可以看出， IGBT相當(dāng)于一個由 MOSFET 驅(qū)動的厚基區(qū) GTR，其簡化等效電路如圖 2－ 55 所示。圖中 Rdr是厚基區(qū) GTR 的擴展電阻。 IGBT 是以GTR為主導(dǎo)件、 MOSFET 為驅(qū)動件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 2 N溝道 IGBT的圖形符號有兩種，如圖 2－ 56。所示。實際應(yīng)用時，常使用圖 2 －5 6b所示的符號。 對于 P溝道，圖形符號中的箭 頭方向恰好相反，如圖 2－ 57所示。 IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)柵極加正電壓時， MOSFET內(nèi)形成溝道，并為 PNP晶體管提供基極電流，從而使 IGBT導(dǎo)通，此時，從 P+區(qū)注到 N 一 區(qū)進行電導(dǎo)調(diào)制，減少 N一 區(qū)的電阻 Rdr值，使高耐壓的 IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負(fù)電壓時， MOSFET內(nèi)的溝道消失， PNP晶體管的基極電流被切斷， IGBT即關(guān)斷。 正是由于 IGBT是在 N溝道 MOSFET的 N+基板上加一層 P+基板，形成了四層結(jié)構(gòu)，由 PNP－ NPN晶體管構(gòu)成 IGBT 。但是， NPN晶 體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計時盡可能使 NPN不起作用。所以說， IGBT的基工作與 NPN晶體管無關(guān)，可以認(rèn)為是將 N溝道 MOSFET作為輸入極， PNP晶體管作為輸出極的單向達林頓管。 采取這樣的結(jié)構(gòu)可在 N一層 作電導(dǎo)率調(diào)制，提高電流密度。這是因為從 P+基板經(jīng)過 N+層向高電阻的 N層注入少量載流子的結(jié)果。 IGBT 的設(shè)計是通過PNP－ NPN晶體管的連接形成晶閘管。 IGBT 的工作原理和工作特性 IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反 向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 IGBT關(guān)斷。 IGBT的驅(qū)動方法和 MOSFET 基本相同，只需控制輸入極 N 一溝道 MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。 當(dāng) MOSFET的溝道形成后，從 P+基極注入到 N 一層的空穴（少子），對 N 一層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT在高電壓 時，也具有低的通態(tài)電壓。 IGBT的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類： 1． 靜態(tài)特性 IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。 IGBT的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出 漏極電流比受柵源電壓 Ugs的控 制， Ugs越高 Id 越大。它與GTR的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū) 放大區(qū) 2和擊穿特性 3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的 IGBT，正向電壓由 J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由 J1結(jié)承擔(dān)。如果無 N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入 N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只 能達到幾十伏水平，因此限制了 IGB的某些應(yīng)用范圍。 IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id與柵源電壓 Ugs之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電 壓 Ugs(th)時， IGBT處于關(guān)斷 w w 3 狀態(tài)。在 IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id與 Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為 15V左右。 IGBT的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。 IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時，由于它的 PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過 MOSFET的電流成為 IGBT總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓 Uds(on)可用下式表示 Uds(on)＝ Uj1＋ Udr＋ IdRoh（ 2－ 14） 式中 Uj1 —— JI結(jié)的正向電壓，其值為 ～ 1V； Udr—— 擴展電阻 Rdr上的 壓降； Roh —— 溝道電阻。 通態(tài)電流 Ids可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos (2－ 15） 式中 Imos—— 流過 MOSFET的電流。 由于 N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以 IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓 1000V的 IGBT通態(tài)壓降為 2～ 3V。 IGBT處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。 2．動態(tài)特性 IGBT在開通過程中，大部分時間是作為 MOSFET來運行的，只是在漏源電壓 Uds下降過程后期， PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間， tri 為電流上升時間。實際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時間 ton即為 td (on)tri之和。漏源電壓的下降時間由 tfe1和 tfe2組成，如圖 2－ 58所示 IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?MOSFET關(guān)斷后， PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間， td(off)為關(guān)斷延遲時間， trv為電壓 Uds(f)的上升時間。實際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時間 Tf由圖 2－ 59中的 t(f1)和 t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時間 t(off)=td(off)+trv十 t(f)（ 2－ 16）式中， td(off)與 trv之和又稱為存儲時間。 4 IGBT的擎住效應(yīng)與安全工作區(qū) 在分析擎住效應(yīng)之前，我們先回顧一下 IGBT的工作原理（這里假定不發(fā)生 擎住效應(yīng)）。 1．當(dāng) Uce＜ 0時， J3反偏，類似反偏二極管， IGBT 反向阻斷； 2．當(dāng) Uce ＞ 0時，在 UcUth 的情況下，溝道未形成， IGBT正向阻斷；在 Ug＞Uth情況下，柵極的溝道形成， N+區(qū)的電子通過溝道進入 N一 漂移區(qū)，漂移到 J3結(jié)，此時 J3結(jié)是正偏，也向 N 一 區(qū)注入空穴，從而在 N一 區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使 IGBT正向?qū)ā? 3． IGBT的關(guān)斷。在 IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)時，當(dāng)柵極電壓減至為零，此時 Ug＝ 0＜ Uth，溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使 Ic 有一個突降。但由于 N 一 區(qū)注入大量電子、空穴對， IC不會立刻為零，而有一個拖尾時間。 IGBT為四層結(jié)構(gòu)，體內(nèi)存在一個奇生晶體管，其等效電路如圖 2－ 60 所示。在 V2的基極與發(fā)射極之間并有一個擴展電阻 Rbr，在此電阻上 P型體區(qū)的橫向空穴會產(chǎn)生一定壓降，對 J3 結(jié)來說，相當(dāng)于一個正偏置電壓。在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，這個正偏置電壓不大， V2不起作用， 當(dāng) Id大到一定程度時，該正偏置電壓足以使 V2開通，進而使 V2 和 V3 處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶體管開通，柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng) .IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后，漏極電流增大，造成過高功耗，導(dǎo)致?lián)p壞。可見，漏極電流有一個臨界值 Idm 。 當(dāng) Id＞ Idm時便會產(chǎn)生擎住效應(yīng)。 在 IGBT關(guān)斷的動態(tài)過程中，假若 dUds／ dt過高，那么在 J2 結(jié)中引起的位移電流Cj2（ dUds/d t）會越大，當(dāng)該電流流過體區(qū)擴展電阻 Rbr時，也可產(chǎn)生足以使晶體管 V2開通的正向偏置電壓，滿足寄生晶體管開通擎住的條件， 形成動態(tài)擎住效應(yīng)。使用中必須防止 IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)，為此可限制 Idm值，或者用加大柵極電阻 Rg的辦法延長 IGBT 關(guān)斷時間，以減少 d Uds/d t 值。 值得指出的是，動態(tài)擎住所允許的漏極電流比靜態(tài)擎住所允許的要小，故生產(chǎn)廠家所規(guī)定的 Id值是按動態(tài)擎住所允許的最大漏極電流來確定的。 w 5 安全工作區(qū) 安全工作區(qū)（ SO A ）反映了一個晶體管同時承受一定電壓和電流的能力。 IGBT開通時的正向偏置安全工作區(qū)（ FBSOA ），由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。最大漏極電流 I dm 是根據(jù)避免動態(tài) 擎住而設(shè)定的，最大漏源電壓 Udsm是由 IGBT 中晶體管 V3 的擊穿電壓所確定，最大功耗則是由最高允許結(jié)溫所決定。導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)則越窄，如圖 2－ 61。所示。 IGBT的反向偏置安全工作區(qū)（ RBSOA）如圖 2－ 61b所示，它隨 IGBT關(guān)斷時的dUds／ dt 而改變， dUds／ dt越高， RBSOA越窄。 IGBT 管好壞的檢測 IGBT 管的好壞可用指針萬用表的 Rxlk 擋來檢測，或用數(shù)字萬用表的“二極管”擋來測量 PN結(jié)正向壓降進行判斷。檢測前先將 IGBT 管三只引腳短路放電，避免影響 檢測的準(zhǔn)確度；然后用指針萬用表的兩枝表筆正反測 G、 e兩極及 G、 c 兩極的電阻，對于正常的 IGBT 管（正常 G、 C 兩極與 G、 c兩極間的正反向電阻均為無窮大；內(nèi)含阻尼二極管的 IGBT 管正常時， e、 C極間均有 4kΩ正向電阻），上述所測值均為無窮大；最后用指針萬用表的紅筆接 c極，黑筆接 e極，若所測值在 3． 5kΩ l左右，則所測管為含阻尼二極管的 IGBT 管，若所測值在 50kΩ左右，則所測 IGBT 管內(nèi)不含阻尼二極管。對于數(shù)字萬用表，正常情況下， IGBT 管的 C、C極問正向壓降約為 0． 5V。 l 、判斷極性首先將萬用表撥在 R 1K 。擋，用萬用表測量時，若某一極與其它兩極阻值為無窮大，調(diào)換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無窮大，則判斷此極為柵極（ G ）。其余兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調(diào)換表筆后測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中，則判斷紅表筆接的為集電極（ C ) ：黑表筆接的為發(fā)射極（ E ）。 2 、判斷好壞將萬用表撥在 R 10KQ 檔，用黑表筆接 IGBT 的集電極（ C ) ，紅表筆接 IGBT 的發(fā)時極 ( E ) ，此時萬用表的指針在零位。用手指同時觸及一下柵極（ G ）和集電極（ C ) ，這時工 GBT 被觸發(fā)導(dǎo)通，萬用表的指針擺向阻值較小的方向，并能站們指示在某一位置。然后再用手指同時觸及一下柵極（ G ）和發(fā)射極（ E ) ，這時 IGBT 被阻斷，萬用表的指針 回零。此時即可判斷 IGBT 是好的。 3 、注意事項任何指針式萬用表鈴可用于檢測 IGBT 。注意判斷 IGBT 好壞時，一定要將萬用表撥在 R IOK 擋，因 R IKQ 檔以下各檔萬用表內(nèi)部電池電壓太低，檢測好壞時不能使 IGBT 導(dǎo)通，而無法判斷 IGBT 的好壞。此方法同樣也可以用護檢測功率場效應(yīng)晶體管 ( P 一 MOSFET ）的好壞。 6 IGBT 的選擇及計算分析 在直接串聯(lián)技術(shù)選用什么樣的功率開關(guān)器件對決定變頻器的性價比至關(guān)重要。目前可選的器件有好幾種，如 IGCT 、 IEGT、 GTO、 IGBT，而 IGBT 則又分為 1700V， 3300V， 6500V。到底選哪一種器件，其性價比較好，讓我們進行一些具體比較。 幾種常用的功率器件 變頻器向前發(fā)展，一直是隨著電力電子器件的發(fā)展而發(fā)展。在 20 世紀(jì) 50 年代出現(xiàn)了硅晶閘管 (SCR)； 60 年代出現(xiàn)可關(guān)斷晶閘管 (GTO 晶閘管 )； 70 年代出現(xiàn)了高功率晶體管 (GTR)和功 率場效應(yīng)管 (MOSFET)； 80 年代相繼出現(xiàn)了絕緣柵雙極功率晶體管 (IGBT)以及門控晶閘管 (IGCT)和電力加強注入型絕緣柵極晶體管（ IEGT）， 90 年代出現(xiàn)智能功率模塊 (IPM)。由于這些元器件的出現(xiàn)，相應(yīng)出現(xiàn)了以這些逆變器件為主的變頻器，反過來，變頻器要求逆變器件有個理想的靜態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)時，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)時，能大電流通過和低的導(dǎo)通壓降，損耗小，發(fā)熱量??；在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，具有短的開、關(guān)時間，即開關(guān)頻率高，而且能承受高的 du/dt；全控功能，壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點，當(dāng)然還要 求成本低。上述這些電力電子器件有些是滿足部分要求，有些是逐步向這個方向發(fā)展，達到完善的要求，特別是中（高）壓變頻器更需要耐壓高的元器件。 模塊選擇分析 我們以設(shè)計一臺中壓變頻器為例，直流工作電壓