詳細信息
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。 圖1所示為一個N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構， 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。 IGBT 的開關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 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關斷。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模塊的選擇
IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關。其相互關系見下表。使用中當IGBT模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時，開關損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應大于負載電流。特別是用作高頻開關時，由于開關損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應該降等使用。
使用中的注意事項
由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達到20～30V。因此因靜電而導致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點：
在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后，再觸摸； 在用導電材料連接模塊驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊； 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。
此外，在柵極—發(fā)射極間開路時，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。
在使用IGBT的場合，當柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止此類故障，應在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。
在安裝或更換IGBT模塊時，應十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風扇，當散熱風扇損壞中散熱片散熱不良時將導致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風扇應定期進行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應器，當溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。
保管時的注意事項
一般保存IGBT模塊的場所，應保持常溫常濕狀態(tài)，不應偏離太大。常溫的規(guī)定為5～35℃ ，常濕的規(guī)定在45～75％左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機加濕; 盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合； 在溫度發(fā)生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應放在溫度變化較小的地方； 保管時，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物； 裝IGBT模塊的容器，應選用不帶靜電的容器。
IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時的注意事項對實際中的應用是十分必要。
發(fā)展歷史
1979年，MOS柵功率開關器件作為IGBT概念的先驅(qū)即已被介紹到世間。這種器件表現(xiàn)為一個類晶閘管的結(jié)構（P-N-P-N四層組成），其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。
80年代初期，用于功率MOSFET制造技術的DMOS（雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體）工藝被采用到IGBT中來。[2]在那個時候，硅芯片的結(jié)構是一種較厚的NPT（非穿通）型設計。后來，通過采用PT（穿通）型結(jié)構的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延的技術進步，以及采用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩沖層而進展的[3]。幾年當中，這種在采用PT設計的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構，其設計規(guī)則從5微米先進到3微米。
90年代中期，溝槽柵結(jié)構又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現(xiàn)的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結(jié)構。[4]在這種溝槽結(jié)構中，實現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。
硅芯片的重直結(jié)構也得到了急劇的轉(zhuǎn)變，先是采用非穿通（NPT）結(jié)構，繼而變化成弱穿通（LPT）結(jié)構，這就使安全工作區(qū)（SOA）得到同表面柵結(jié)構演變類似的改善。
這次從穿通（PT）型技術先進到非穿通（NPT）型技術，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術會有比較高的載流子注入系數(shù)，而由于它要求對少數(shù)載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入系數(shù)卻比較低。進而言之，非穿通（NPT）技術又被軟穿通（LPT）技術所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場截止”（FS）型技術，這使得“成本—性能”的綜合效果得到進一步改善。
1996年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實現(xiàn)[6]，它采用了弱穿通（LPT）芯片結(jié)構，又采用了更先進的寬元胞間距的設計。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向?qū)ㄐ汀保鎸停┕δ艿腎GBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優(yōu)化。
IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動，各種驅(qū)動保護電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術，從復合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點。
現(xiàn)在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅(qū)動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,現(xiàn)在已制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動電路.其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。
ＩＧＢＴ晶體管；串聯(lián)諧振；半可控整流 長期以來可控硅中頻電源占領著國內(nèi)感應加熱設備的主流，它的負載采用并聯(lián)諧振方式．此種電源具有技術成熟、負載匹配方便等優(yōu)點，但由于它的整流部分采用可控硅全控整流方式，所以對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染嚴重；同時由于它的負載是一種電流型諧振方式，電壓低電流大，所以線路損耗比較大。隨著國家對治理電網(wǎng)污染和節(jié)能降耗的要求的提出，市場急需一種無諧波干擾，并且節(jié)能降耗的感應加熱設備來滿足廣大用戶要求，我公司根據(jù)目前市場需求組織開發(fā)了節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源。 ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）是一種大功率半導體器件，它是一種雙極性絕緣柵晶體管。于８０年代開始投入市場。目前世界上主要有以下幾個廠家：德國西門子（ＥＵＰＥＣ）、德國西門康（ＳＥＭＩＫＲＯＮ）、日本三菱公司、美國ＡＢＢ公司，我公司目前采用德國西門康公司的ＳⅪ訂５００ＧＡｌ２８ＤＩＧＢＴ模塊。它是一種正溫度系數(shù)的ＩＧＢＴ模塊，有利于并聯(lián)時均流。１節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源組成 節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源共由四部組成，它們分別為整流、濾波、逆變輸出、熔煉爐體。結(jié)構圖如下： 素 Ｃ 節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源各部分工作原理如下： （１）整流部分：ＩＧＢＴ中頻整流采用半可控方式，可控硅僅作開關使用，即每當啟動設備時整流后的電壓總保持５００Ｖ，而不隨功率大小而變化，這樣可大大減小了諧波的產(chǎn)生，減輕了對電網(wǎng)的諧波干擾。整流控制部分采用ＣＰＬＤ控制，它與ＩＧＢＴ中頻主板之間通過四根線進行連接，其中兩根作為啟動整流線，另兩根作為停止、保護信號線。 （２）濾波部分：ＩＧＢＴ中頻采用電抗器濾波和電解電容濾波兩種方式，電抗器濾波可使電流連續(xù)。電解電容濾波可使電壓恒定，這樣可保逆變部分得到一個穩(wěn)定的電壓源和電流源。 （３）ＩＧＢＴ模塊逆變部分：逆變部分采用半橋逆變。逆變器件為ＩＧＢＴ模塊．它是由德國西門康公司生產(chǎn)的（ＳＥＭＩＫＲＯＮ），此種模塊為一種正溫度系數(shù)的模塊，即當溫度升高時它的通態(tài)阻抗將增大，這樣有利于均流。 １７８ 李慶新節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源（４）ＩＧＢＴ模塊驅(qū)動：驅(qū)動部分采用德國西門康公司生產(chǎn)的配套驅(qū)動板，此種驅(qū)動板驅(qū)動能力強，保護功能完善，可同時驅(qū)動６塊ＩＧＢＴ模塊，具有過流、過壓保護功能。高檔次的驅(qū)動板是設備可靠運行的有利保障。 （５）驅(qū)動電源：驅(qū)動電源采用隔離電模塊，即驅(qū)動電源的“地”與外部電源是隔離的。這樣可避免外部干擾的影響．有利于設備的可靠運行。 （６）主控板：主控制板由我公司自主開發(fā)設計。它具有以下功能 ①脈沖合成功能：主控制板將單路脈沖信號通過ＪＫ觸發(fā)器分成兩路脈沖，然合通過一系列的邏輯門電路將此信號合成為兩路對稱的雙路脈沖，兩路脈沖之間的死區(qū)時間可調(diào)。②頻率跟蹤功能：主控板將槽路信號與調(diào)功電位器電壓信號合成一復合電壓信號，通過此電壓信號控制壓控振蕩器的輸出頻率，從而使線路板上的輸出頻率始終跟隨槽路頻率。說明：調(diào)功電位器實質(zhì)是調(diào)整換流角度。③同步保護功能：當槽路頻率與主控制板上觸發(fā)輸出脈沖頻率不同步時，設備功率將自動降到最低，這樣有利于保護設備。④過流、限流功能：ＩＧＢＴ中頻主控制板具有兩路過流和限流功能，一路來自三相進線，另一路來自感應圈。當超過所設定的電流值時主控制板將報過流故障。并自動停止設備運行；當輸出電流達到所規(guī)定的電流時主控板將進行限流狀態(tài)，并使電流穩(wěn)定于所設定的電流值不變，此時達到恒功率運行。⑤水溫、水壓保護功能：ＩＧＢＴ中頻主控板通過溫度傳感器監(jiān)視循環(huán)水的溫度，當水溫超出所規(guī)定的溫度時主控制板將報警，同時自動停止設備運行；ＩＧＢＴ中頻主控板同時具有水壓保護功能。因ＩＧＢＴ中頻采用內(nèi)外兩個循環(huán)．所以水壓保護分為內(nèi)水壓和外水壓報警，當水壓低于設定的水壓值時主控板將報警，同時自動停止設備運行。２節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源性能特點 （１）節(jié)能：節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源比傳統(tǒng)可控硅中頻電源節(jié)能２５％～２８％，節(jié)能的主要原因有以下幾個方面：①逆變電壓高，電流小，線路損耗小，此部分可節(jié)能１５％～１８％｝，節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源逆變電壓為２８００Ｖ，而傳統(tǒng)可控硅中頻電源逆變電壓僅為７５０ Ｖ，電流小了近４倍，線路損耗大大降低；②功率因數(shù)高，功率因數(shù)始終大于０．９８，無功損耗小，此部分可可控硅中頻電源節(jié)能３％～５％。由于節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源采用了半可控整流方式，整流部分不調(diào)可控硅導通角，所以整個工作過程功率因數(shù)始終大于０．９８，無功損耗??；③爐口熱損失少：由予節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源比同等功率可控硅中頻電源一爐可快２０ｍｉｎ，２０ｍｉｎ時間內(nèi)爐口損失的熱量可占整個過程的３％，所以此部分比可控硅中頻可節(jié)能３％左右。 節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源與可控硅中頻電源經(jīng)濟效益對比表 電源類型 電耗 熔化率 節(jié)約電能 節(jié)約電費 年產(chǎn)量 經(jīng)濟效益 ０．５噸可控硅中頻爐 ８５０度／噸 １．５小時，噸 不節(jié)電 不節(jié)約 １０００噸 無效益 ０．５噸ＩＧＢＴ晶體管巾頻電源 ６５０度／噸 １小時／ｏ．５噸 節(jié)電２００度／噸 節(jié)約（Ｏ．５元／度）１００元／噸 １４００噸 １４萬元 ０．７５噸以上Ｈ，控硅中頻電源９００度／噸 １．５度／噸 小節(jié)電 不節(jié)約 １０００噸 無效益 ０．７５噸以上ＩＧＢＴ晶體管中頻電源６００度／噸 １小時／噸 節(jié)電３００度／噸 節(jié)約（０．５元／度）１５０元／噸 １５００噸 ２２．５萬元 （２）無高次諧波干擾：高次諧波主要來自整流部分調(diào)壓時可控硅產(chǎn)生的毛刺電壓，它會嚴重污染電網(wǎng)，導致其它電器設備無法正常工作，而節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源的整流部分采用半可控整流方式，直流電壓始終工作在最高，不調(diào)導通角，所以它不會產(chǎn)生高次諧波，不會污染電網(wǎng)、變壓器，開關不發(fā)熱，不會干擾工廠內(nèi)其它電子設備運行。 （３）恒功率輸出：可控硅中頻電源采用調(diào)壓調(diào)功，而節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源采用調(diào)頻調(diào)功，它不受爐料多少和爐襯厚薄的影響，在整個熔煉過程中始終保持恒功率輸出，節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源是唯一實現(xiàn)恒功率輸出的變頻電源，尤其是生產(chǎn)不銹鋼、銅、鋁等不導磁物質(zhì)時，更顯示它的優(yōu)越性，熔化速度快，爐料元素燒損少。節(jié)能效果更好。降低了鑄造成本。 （４）產(chǎn)品啟動性能好：節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源的逆變方式為串聯(lián)逆變，串聯(lián)逆變的其中一個特點為１００％啟動，所以節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源徹底解決了可控硅中頻啟動困難的問題。不論空載還是滿載均能１００％啟動。 １７９ 李慶新節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中攝電源 （５）使用維修方便：節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源電路結(jié)構簡清，保護齊全，具備完備的故障顯示功能能迅速找到故障點．維修方便。３技術參數(shù)與工作波形 節(jié)能型ＩＧＢＴ晶體管中頻電源（以３００ ｋＷ為例）技術參數(shù)如下①三相進線電壓３８０Ｖ．＠直流電壓５００Ｖ；＠直流電流６００Ａ；④感應圈電壓２８００Ｖ：＠中頻頻率２ ｋＨｚ＠熔化率Ｏ ５７ｔ／ｈ；⑦電耗６３０ ｋＷ ｈ／ｔ。 各部分工作渡形如下： ①ＩＧＢＴ觸發(fā)波形： 實測照片如下 逆變電壓電流波形圖：測試方｛擊：采用雙蹤示渡器一路澍逆變輸出電壓。另一路測互感器采樣波形，實測波形如下．電壓超前電流２ ｕｓ，當加料時保證電壓不超前電流，具體渡形如下。