【文章內(nèi)容簡介】 紹.....................................................................................................1 什么是IGBT..........................................................................................1 IGBT的各種有關(guān)參數(shù)...........................................................................1 ..............................................................................2三、存在的問題....................................................................................................4四、研究現(xiàn)狀........................................................................................................5五、發(fā)展趨勢........................................................................................................6 參考文獻(xiàn)................................................................................................................7一、引言自20 世紀(jì)50 年代末第一只晶閘管問世以來, 電力電子技術(shù)開始登上現(xiàn)代電氣傳動技術(shù)舞臺, 以此為基礎(chǔ)開發(fā)的可控硅整流裝置, 是電氣傳動領(lǐng)域的一次革命, 使電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和靜止離子變流器進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代, 這標(biāo)志著電力電子的誕生。進(jìn)入70 年代晶閘管開始形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品, 普通晶閘管不能自關(guān)斷的半控型器件, 被稱為第一代電力電子器件。隨著電力電子技術(shù)理論研究和制造工藝水平的不斷提高, 電力電子器件在容易和類型等方面得到了很大發(fā)展, 是電力電子技術(shù)的又一次飛躍, , 功率MOSFET 等自關(guān)斷全控型第二代電力電子器件。而以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的第三代電力電子器件, 開始向大容易高頻率、響應(yīng)快、低損耗方向發(fā)展。二、IGBT介紹 什么是IGBT 絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是在金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極晶體管(Bipolar)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型復(fù)合功率器件，具有MOS輸入、雙極輸出功能。IGBT集Bipolar器件通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)于一身。作為電力電子變換器的核心器件，為應(yīng)用裝置的高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基礎(chǔ)。自IGBT商業(yè)化應(yīng)用以來，作為新型功率半導(dǎo)體器件的主型器件，IGBT在1—100kHz的頻率應(yīng)用范圍內(nèi)占據(jù)重要地位，其電壓范圍為600V—6500V，電流范圍為1A—3600A(140mm x 190mm模塊)。IGBT廣泛應(yīng)用于工業(yè)、4C(通信、計算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域以及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)，因此被稱為功率變流產(chǎn)品的“CPU”、“綠色經(jīng)濟(jì)之核”。在未來很長一段時間內(nèi)，為適應(yīng)全球降低CO2排放的戰(zhàn)略需要，IGBT必將扮演更為重要的角色，是節(jié)能技術(shù)和低碳經(jīng)濟(jì)的重要支點(diǎn)。 IGBT的各種有關(guān)參數(shù)低功率IGBT應(yīng)用范圍一般都在600V、1KA、1KHZ以上區(qū)域，為滿足家電行業(yè)的需求，ST半導(dǎo)體，三菱公司推出低功率IGBT產(chǎn)品，適用于微波爐，洗衣機(jī)等。而非傳統(tǒng)性IGBT采用薄片技術(shù)，在性能上高速，低損耗，在設(shè)計600V1200V的IGBT時，其可靠性最高。 開關(guān)頻率IGBT的開通過程按時間可以分為四個過程，如下：第一：門射電壓Vge小于閥值電壓Vth時。其門極電阻RG和門射電容CGEI的時間常數(shù)決定這一過程。當(dāng)器件的集電極電流IC 和集射電壓VCE均保持不變時，CGEI就是影響其導(dǎo)通延遲時間tdon的唯一因素。第二：當(dāng)門射電壓Vge達(dá)到其閥值電壓時，開通過程進(jìn)入第二階段，IGBT開始導(dǎo)通，其電流上升速率dI/dt的大小與門射電壓Vge和器件的跨導(dǎo)gfs有如下關(guān)系：dIc/dt=gfs（Ic）＊dVge/dt。其中，dVge/dt由器件的門極電阻Rg和門射電容CGEI所決定（對于高壓型IGBT來說，門集電容Cgc可忽略不計）。第三：第三階段從集電極電流達(dá)到最大值ICmax。第四：通之后，器件進(jìn)入穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)。 關(guān)斷過程當(dāng)在柵極施加一個負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。 柵極驅(qū)動電壓因IGBT柵極—發(fā)射極阻抗大，故可使用 MOSFET 驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動，但 IGBT 的輸入電容較MOSFET大，所以IGBT的驅(qū)動偏壓應(yīng)比MOSFET 驅(qū)動所需偏壓強(qiáng)。在+20℃情況下，實測60 A，1200 V 以下的 IGBT 開通電壓閥值為5～6 V，在實際使用時，為獲得最小導(dǎo)通壓降，應(yīng)選取Ugc≥(～3)Uge(th)，當(dāng)Uge 增加時，導(dǎo)通時集射電壓Uce將減小，開通損耗隨之減小，但在負(fù)載短路過程Uge 增加，集電極電流Ic也將隨之增加，使得 IGBT 能承受短路損壞的脈寬變窄，因此Ugc的選擇不應(yīng)太大，這足以使 IGBT 完全飽和，同時也限制了短路電流及其所帶來的應(yīng)力(在具有短路工作過程的設(shè)備中，如在電機(jī)中使用IGBT時，+Uge在滿足要求的情況下盡量選取最小值，以提高其耐短路能力）。對于全橋或半橋電路來說，上下管的驅(qū)動電源要相互隔離，由于 IGBT 是電壓控制器件，所需要的驅(qū)動功率很小，主要是對其內(nèi)部幾百至幾千皮法的輸入電容的充放電，要求能提供較大的瞬時電流，要使 IGBT 迅速關(guān)斷，應(yīng)盡量減小電源的內(nèi)阻，并且為防止 IGBT 關(guān)斷時產(chǎn)生的du/dt誤使IGBT導(dǎo)通，應(yīng)加上一個5V的關(guān)柵電壓，以確保其完全可靠的關(guān)斷(過大的反向電壓會造成 IGBT 柵射反向擊穿，一般為2～10V之間)。從減小損耗角度講，門極驅(qū)動電壓脈沖的上升沿和下降沿要盡量陡峭，前沿很陡的門極電壓使 IGBT 快速開通，達(dá)到飽和的時間很短，因此可以降低開通損耗，同理，在 IGBT 關(guān)斷時，陡峭的下降沿可以縮短關(guān)斷時間，從而減小了關(guān)斷損耗，發(fā)熱量降低。但在實際使用中，過快的開通和關(guān)斷在大電感負(fù)載情況下反而是不利的。因為在這種情況下，IGBT過快的開通與關(guān)斷將在電路中產(chǎn)生頻率很高、幅值很大、脈寬很窄的尖峰電壓 Ldi/dt，并且這種尖峰很難被吸收掉。此電壓有可能會造成 IGBT 或其他元器件被過壓擊穿而損壞。所以在選擇驅(qū)動波形的上升和下降速度時，應(yīng)根據(jù)電路中元件的耐壓能力及 du/dt 吸收電路性能綜合考慮。由于 IGBT 的開關(guān)過程需要消耗一定的電源功率，最小峰值電流可由下式求出：IGP=△Uge/RG+Rg；式中△ Uge=+Uge+|Uge|；RG是IGBT內(nèi)部電阻；Rg 是柵極電阻。驅(qū)動電源的平均功率為：PAV=Cge△Uge2f，（*式中f為開關(guān)頻率；Cge 為柵極電容)。 柵極電阻